量子通訊關鍵突破 清華研發全球最亮光源！每秒射出23億顆光子刷新世界紀錄
清華團隊把會發光的「鈣鈦礦量子點」，夾進銀奈米立方體與銀薄膜之間的微小縫隙，也就是「電漿子奈米共振腔」，讓它能以極高速度放出單光子。這個結構，正是團隊刷新世界亮度紀錄的關鍵。（示意圖／林皓武提供）
清華大學材料系教授林皓武率領研究團隊，成功在室溫下打造出全球最亮、高速且不閃爍的「單光子源」，這是一種一次只發出一顆光子的特殊光源，每秒可發射超過 23 億顆光子，刷新世界紀錄，為量子通訊與量子光子晶片的實現跨出關鍵一步。成果已發表於國際頂尖期刊《科學進展》（Science Advances）。
2026-06-10 國立清華大學發布
清華大學材料系教授林皓武（中）率領博士生廖子豪（右）、博士莊詠棠（左）研發出全球最亮室溫單光子源，每秒可發射逾 23 億顆光子，刷新世界紀錄。（圖 / 清華大學提供）
量子科技被視為改寫全球科技格局的關鍵技術，各國正在通訊、運算與感測領域展開戰略競逐，台灣近年也積極投入核心元件的自主研發。而這些應用有一個共同的基礎：必須有一種能「一次只發出一個光子」的光源，也就是「單光子源」，它就像量子世界的「發報機」，每顆光子都是一個訊號。
林皓武說明，這種光源的亮度直接決定資料傳輸的速度：亮度越高，每秒送出的光子越多，傳輸就越快。但難就難在，要在「室溫」下同時做到夠亮、放光夠快、又穩定不閃爍，一直是全球量子光電領域最棘手的挑戰之一，而過去往往顧此失彼。
清華團隊的解法，是把鈣鈦礦量子點跟邊長約 100 奈米的銀奈米立方體組合在一起，打造出「電漿子奈米共振腔」。它的作用有點像手電筒燈泡後方的反射杯：把發光體放進這個精心設計的金屬結構裡，光與物質產生強烈交互作用，發出的光就會被大幅增強、加速。
但最大的難關是，這兩種材料原本「水火不容」。銀奈米立方體必須泡在酒精這類高極性溶劑中保存，而傳統的鈣鈦礦量子點一碰到這種溶劑就會溶解，直接失去發光能力，比喻來說，等於反射杯還沒裝好，燈泡就先燒壞了。
清華大學材料系教授林皓武（中）帶領廖子豪（右）、莊詠棠（左）結合鈣鈦礦量子點與銀奈米立方體，打造出全球最亮的室溫單光子源。（圖 / 清華大學提供）
論文第一作者、清華材料所博士生廖子豪，負責量子點的合成改質、共振腔製作及光學量測。他指出，團隊的關鍵突破是用一種特殊的「兩性離子」配體包覆量子點，就像替它穿上一件抗溶劑的「奈米雨衣」：既能擋住酒精等極性溶劑的破壞，又不影響發光，量子點的發光效率仍維持高達 95%。
論文第一作者、清華材料系博士生廖子豪在充氮手套箱中示範鈣鈦礦量子點的合成與改質操作。（圖 / 清華大學提供）
穿上這件「奈米雨衣」後，原本嬌貴的量子點終於能被安穩嵌進銀奈米立方體與銀薄膜之間，那是一個僅約 10 奈米寬的縫隙，相當於頭髮直徑的萬分之一。也就是前述的「電漿子奈米共振腔」，亮度因此大幅提升。
清華團隊以「兩性離子」配體為鈣鈦礦量子點穿上抗溶劑「奈米雨衣」，使其受激發後能穩定放出深紅光，並順利與奈米共振腔整合。（圖 / 清華大學提供）
論文共同作者、清華材料所博士莊詠棠負責光物理性質與機制分析。他說明，量子點放進共振腔後，會產生物理學上所謂的「帕塞爾效應」（Purcell effect），簡單說就是環境會「催促」發光體更快放光：發光速度因此提升了 435 倍，發光壽命縮短到 12 皮秒（一皮秒是一兆分之一秒）以下，整體發光強度比整合前增加達 250 倍。
清華大學材料系教授林皓武（前）率博士生廖子豪、博士莊詠棠（後排左、右）研發出全球最亮室溫單光子源。（圖 / 清華大學提供）
林皓武進一步指出，帕塞爾效應還帶來一個意外收穫：「因為放光速度極快，快到量子點根本來不及進入不發光的狀態，亮度因此變得穩定，順帶解決了單光子源長年以來『一閃一閃』的老毛病。」他補充，部分傳統半導體單光子源必須在接近絕對零度的極低溫環境下才能運作，但鈣鈦礦量子點在室溫就能穩定發光，等於省下昂貴的冷卻設備，大幅降低成本與應用門檻。
這款光源到底有多亮？林皓武分享了一個量測時的小插曲：團隊用自行改裝的國產共軛焦顯微鏡量測時，偵測器竟然直接過曝飽和，「就像拿相機對著太陽拍照」，最後必須在光路上加裝多層減光濾鏡，等於替儀器戴上「墨鏡」，才順利完成量測。實測證實，這款元件的亮度領先國際既有紀錄超過十倍。
清華研究團隊在手套箱中以微量吸管取用深紅色鈣鈦礦量子點溶液，進行單光子源的關鍵製程。（圖 / 清華大學提供）
研發之路並不順遂。莊詠棠坦言，過去從來沒有人能讓鈣鈦礦量子點在酒精裡「活」得這麼好，團隊一開始毫無方向，嘗試過翻轉結構、改變反應溫度，全都失敗，一度想放棄，直到與廖子豪合力試出兩性離子技術，才終於看見曙光。
本項成果由清華團隊獨立研發，獲國科會及教育部「國家重點領域頂尖研究中心計畫」經費支持。林皓武預估，這項技術 5 年內可應用於量子加密通訊，5 至 10 年內有望成為量子電腦的核心元件。團隊下一步將開發多色光源，讓通訊頻寬加倍，並朝光纖通訊適用的紅外光波段邁進。
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