一个有希望的配对:科学家展示了用于量子科学的新材料组合

图形抽象。资料来源:ACS Photonics(2023)。DOI: 10.1021/ acphotonics .3c00992

量子信息科学家一直在寻找获胜的材料组合，这些材料可以在分子水平上进行操作，以可靠地存储和传输信息。在最近的原理验证演示之后，研究人员正在将一种新的化合物组合添加到量子材料列表中。

在《ACS光子学》杂志上发表的一项研究中，研究人员将两种纳米结构——一种由金刚石制成，另一种由铌酸锂制成——结合在一个芯片上。然后他们将钻石发出的光发送到铌酸锂上，并测量了成功穿过钻石的光的比例。

这个比例越大，材料的耦合效率越高，配对作为量子器件的组件就越有希望。

结果:惊人的92%的光从钻石跃迁到铌酸锂上。这项研究得到了Q-NEXT的部分支持，Q-NEXT是美国能源部(DOE)国家量子信息科学研究中心，由美国能源部阿贡国家实验室领导。斯坦福大学的Amir Safavi-Naeini和Jelena Vuckovic领导了这项研究。论文合著者、斯坦福大学博士生霍普·李(Hope Lee)说:“这是一个令人兴奋的结果，该设备的效率达到了92%。”霍普·李在芝加哥大学读本科时曾与Q-NEXT主任大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)共事。“这显示了该平台的优势。”

关于量子位

量子技术利用物质在分子尺度上的特殊特性来处理信息。量子计算机、网络和传感器有望在医学、通信和物流等领域对我们的生活产生巨大影响。

量子信息以量子比特的形式传递，量子比特可以有多种形式。在该研究团队的新平台中，量子比特以光粒子的形式传输信息。可靠的量子位对于量子通信网络等技术至关重要。与传统网络一样，量子网络中的信息从一个节点传递到另一个节点。静止量子比特在节点内存储信息;飞行的量子比特在节点之间携带信息。该研究小组的新芯片将构成一个固定量子比特的基础。静止量子比特越健壮，量子网络就越可靠，网络覆盖的距离也就越大。跨越大陆的量子网络是触手可及的。物质优势

长期以来，钻石一直被吹捧为量子比特的伟大家园。首先，金刚石的分子结构可以很容易地被操纵来承载静止的量子比特。另一方面，钻石承载的量子比特可以维持相对较长的信息，这意味着有更多的时间来执行计算。此外，使用钻石承载的量子比特进行的计算具有很高的准确性。

戴蒙德在小组研究中的合作伙伴铌酸锂在处理量子信息方面是另一个明星。它的特殊性质使科学家们能够改变通过它的光的频率，从而使他们具有多种用途。例如，研究人员可以对铌酸锂施加电场或机械应变，以调整其导光方式。也可以改变其晶体结构的方向。定期这样做是另一种塑造光通过材料的方式。“你可以利用铌酸锂的这些特性来转换和改变来自钻石的光，以对不同实验有用的方式对其进行调制，”论文合著者、斯坦福大学博士生杰森赫尔曼(Jason Herrmann)说。“例如，你基本上可以将光转换成现有通信基础设施使用的频率。所以铌酸锂的这些特性是非常有益的。"

强大的配对

传统上，由钻石承载的量子比特发出的光要么被引入光纤电缆，要么被引入自由空间。在这两种情况下，实验设置都是笨拙的。光纤电缆又长、又悬、又软。将量子比特传输到自由空间需要笨重的设备。当钻石量子比特发出的光被引入铌酸锂时，所有这些设备都消失了。几乎所有的元件都可以放在一个小小的芯片上。“在一个芯片上拥有尽可能多的设备和功能是有优势的，”李说。“它更稳定。它真的可以让你的设置小型化。"

不仅如此，因为这两个设备是由一根极细的细丝(人类头发丝宽度的1/100)连接起来的，量子光被挤进了通向铌酸锂的狭窄通道，增加了光与材料的相互作用，使光的特性更容易被操纵。“当所有不同的光粒子在如此小的体积内相互作用时，你在转换过程中获得了更高的效率，”Herrmann说。“与光纤或自由空间的设置相比，能够在集成平台中实现这一点，有望提高效率。”

一个具有挑战性的大会

开发该平台的挑战之一是如何操纵直径仅为300纳米的钻石，使其与铌酸锂对齐。李说:“我们不得不用细小的针戳钻石，让它四处移动，直到它看起来像是在盘子上的正确位置。”“就像你用小筷子戳它一样。”

测量传递的光是另一个艰苦的过程。Herrmann说:“我们必须确保我们考虑到所有光被传输或丢失的地方，才能说‘这是从钻石到铌酸锂的多少’。”“那次校准测量需要反复进行，以确保我们做得正确。”

该团队正在计划进一步的实验，利用钻石和铌酸锂提供的量子信息优势，无论是单独的还是一起的。他们的最新成功只是他们希望基于这两种材料的各种设备的一个里程碑。Lee说:“通过将这两种材料平台放在一起，并将光从一种材料传导到另一种材料，我们表明，你可以真正做到两全其美，而不是只使用一种材料。”