量子点是一种三维尺寸在1-10nm的半导体纳米晶体，它的主要特征在于尺寸效应带来的发射波长可调，同时具备许多优秀的光学性质，如发射谱窄、吸收谱宽、光稳定性高等，目前已经在显示、能源、生物医药等领域得到了广泛研究和应用。在信息领域，量子点应用也取得了各项重要技术突破，如在信息传输和存储技术中已经出现了越来越多的量子点器件。2023年，诺贝尔化学奖授予三位对量子点的发现与合成做出重大贡献的科学家Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus、Alexei I. Ekimov。本文作者围绕量子点在信息系统中可以起到的关键作用，综述近年来量子点在相关领域取得的成就。

这篇文章中，作者提出了全量子点信息系统的概念和实现方法，并通过仿真搭建具体模型验证了系统性能和可行性。利用量子点丰富的波长-光谱维度，可以给信息系统带来信息密度的大幅提升，为未来更大容量、更高速的信息世界奠定基础。不失一般性，作者将信息系统分成四个模块，包含信息的产生、传输、存储和计算，阐述了量子点在其中作为核心器件设计的理论思路。

信息产生模块通过传感器将现象转化为数据，量子点由于具有宽的光谱范围、可调的透射谱线、高的光电转化效率、易于集成、硅基可兼容性等特点而具备成为优质传感器的潜能，本文从光的强度和波长两个信息维度入手，探究了量子点传感器的原理和实现方式。

信息传输模块中，量子点由于具有多能带、宽增益分布和超快载流子恢复，可以很好地作为光纤放大器和信号调制器。同时，其在可见和近红外区域的窄带发射能力为作为发射端载波光源奠定了基础。在接收端，量子点较高的光电转换效率使其可以成为高效的荧光集中器，将收集到的一定波长范围内的宽谱光转换为更长波长的荧光，减少有用光信号的损失。利用量子点的红外探测敏感性以及易于和硅基材料集成，可以作为接收端的探测器，弥补传统探测器对红外区域的敏感性不足。此外，量子点的单光子和纠缠光子发射能力有望为量子通信事业提供光源基础。

光信息存储是近些年不断取得突破的一项技术，目前常用的存储方式是利用光材料的荧光或折射率变化来表示“0”、“1”数据。量子点由于具有灵活的荧光可调性和易于与具备其他特性光材料集成的特点，已经被广泛用于存储介质的设计。文章介绍了采用荧光抑制和荧光增强来设计量子点光盘，以及利用量子点自身光电转化率高，与其他光折变材料组成存储光盘的技术过程。同时展望了未来量子点结合受激辐射损耗技术实现超分辨存储的方式。

光计算作为信息计算的一个前沿分支，近些年也被广泛研究。文章总结量子点在光计算领域的特长在于可以进行频域计算和实现空域的非线性光信号处理。量子点进行频域计算即频谱信号通过量子点传播后会输出原始谱和量子点透射谱乘积的结果，利用量子点广泛的光谱可调性，即可实现频域响应的精准设计，从而实现高密度光神经网络。将量子点打印成滤波器阵列的形式后，还可以进行空域计算，通过改变掺杂或利用光电转化的非线性机制，量子点能够实现类似ReLU的激活函数，为光神经网络的非线性提供重要保障。

本文在理论分析的基础上，仿真建立了全量子点信息系统的雏形。该系统包含信息产生、信息存储和信息计算三个模块，量子点薄膜在每个模块中均承担了关键角色，通过手写数字体识别这一任务，验证了全量子点信息系统的可行性。同时测得本文利用量子点非线性搭建的神经网络QD2NN相比于D2NN在识别准确率上有较大提升。未来随着量子点制备工艺的不断进步和理论趋于完善，有望实现真正的全量子点信息系统。

图1信息系统的组成：包含信息的产生、传输、存储和计算。图中的箭头表示真实信息系统中不同模块之间可能的先后顺序。

图2利用量子点构建信息系统的基本思路：在信息产生模块中，基于光信号的不同特征，可以将量子点传感器分为两大类别：强度探测和波长探测。在信息传输模块中，基于光源的类型不同，可以分为光通信和量子通信两类场景。在信息存储模块中，基于存储依赖的光学材料特性不同，可以分为相位存储和荧光存储。在信息计算模块中，基于计算的作用域不同，可以分为量子点频域计算和空域计算。

图3设计量子点信息产生模块的主要思路：对于强度检测，可以借助量子点光生电流强度；对于波长检测，需要利用不同的量子点透射谱线获取响应，然后利用重建算法进行波长求解。

图4设计量子点信息传输模块的主要思路：在发射端，量子点可以作为载波光源和光调制器；在信道中，量子点可以作为光纤放大器；在接收端，量子点可以作为均衡器和检测器。

图5 设计量子点存储模块的主要思路：在写数据阶段，通过改变材料的折射率或荧光特性进行数据存储；在读数据阶段，通过读取光经过材料的相变或介质的荧光特性而实现原始数据的索引。

图6设计量子点信息计算模块的主要思路：可以在频域或空域设计计算函数。部分量子点还具备空域的非线性计算能力。

图7搭建的全量子点信息系统模型：包含信息产生、存储和计算三个模块。

图8全量子点信息系统模型仿真结果：图(a)表示了在信息产生过程中运用的16种不同量子点透射谱线；图(b)显示了信息存储模块中存储数字“0”特征图获取的荧光响应阵列；图(c)描述了本文设计的QD2NN网络结构。

表1本文搭建的QD2NN与现有的D2NN在手写数字体数据集上的识别准确率比较

鲍捷，清华大学电子工程系博士生导师、长聘副教授。主要从事新型纳米光电子器件与光谱技术研究，并开拓其在智能传感、信息安全、计算成像、健康医疗、遥感监测等领域的创新应用。在国际上首创了量子点光谱技术原理，突破了传统光的干涉原理解析光谱的固有局限，构建并实现了高性能微型光谱传感芯片（Nature 2015, 523, 67）。

Chen J, Dai C, Zheng Y, et al. All-quantum-dot information system. Nano Research, 2024,https://doi.org/10.1007/s12274-024-6911-z.