量子计算和光子学的发现可能会将关键部件缩小1000倍

新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院的博士生Leevi Kallioniemi用蓝色激光装置产生纠缠光子对。

       研究人员有了一项新发现，能够让量子计算变得更加紧凑，有可能将基本组件缩小 1000 倍，同时所需设备更少。这项研究成果发表在《自然光子学》杂志上。当前正在开发的一类量子计算机依赖于光粒子即光子，从量子物理学术语来讲，它们是成对连接或者 “纠缠” 的。产生这些光子的一种方式是将激光照射到毫米厚的晶体上，并运用光学设备确保光子连接在一起。然而这种方法存在缺点，就是体积太大，无法集成到计算机芯片中。如今，新加坡南洋理工大学的科学家们找到了一种方法来解决这个问题，他们使用更薄的材料来产生连接的光子对，这种材料仅有 1.2 微米厚，大约是一根头发的 80 倍。并且他们在这样做的时候不需要额外的光学装置来维持光子对之间的联系，使得整个设置更加简单。南洋理工大学的高微博教授领导了这项研究，他表示：“我们创造纠缠光子对的新方法为使量子光纠缠源更小开辟了道路，这对于量子信息和光子量子计算的应用至关重要。” 他还补充道，这种方法可以减小用于量子应用的设备的尺寸，因为目前许多这类设备都需要大而笨重的光学设备，这些设备在工作之前非常麻烦。

新加坡南洋理工大学实验中用于产生纠缠光子对的蓝色激光装置

       更薄的材料

       量子计算机有望彻底变革应对诸多挑战的方式，从助力我们更好地理解气候变化，到通过完成复杂计算以及快速发现大型数据集中的模式来更快地找到新药。

       比如，现今的超级计算机需数百万年才能完成的计算，量子计算机几分钟内即可完成。这是可以预期的，因为量子计算机能够同时进行许多计算，而非像标准计算机那样一次执行一个。量子计算机之所以能做到这点，是因为它们使用被称作量子比特或量子位的微小开关来执行计算，这些开关可以同时处于开和关的位置。这就如同在空中抛硬币，旋转的硬币处于正面和反面之间的状态。相较之下，标准计算机所使用的开关可以随时打开或关闭，但不能同时处于打开和关闭状态。光子能够作为量子计算机的量子比特来进行更快的计算，因为它们可以同时具有开和关状态。但同时处于两种状态只有在光子成对产生时才会出现，其中一个光子与另一个光子相连或纠缠。纠缠的一个重要条件是成对光子需要同步振动。使用光子作为量子比特的一个优势是它们可以在室温下产生和纠缠。所以，依靠光子比使用其他粒子（如电子）更容易、更便宜、更实用，因为电子需要接近外层空间的超低温才能用于量子计算。研究人员一直在竭力寻找更薄的材料来产生连接的光子对，以便将它们加工成计算机芯片。

       然而，一个难题是，当材料变得更薄时，它们产生光子的速率会大大降低，这对于计算来说是不切实际的。

两片薄薄的氧化二氯化铌薄片堆叠在一起，在光学显微镜下拍照。一片晶片的晶粒（灰色晶片）垂直于另一片晶片（绿色晶片）的晶粒

       最近的进展显示，一种名为氧化二氯化铌的极具前景的新型晶体材料具备独特的光学和电子特性，尽管它很薄，却能够有效地产生光子对。然而，这些光子对对于量子计算机而言是无用的，因为它们在产生之时不会纠缠在一起。南洋理工大学电气与电子工程学院和物理与数学科学学院的高教授带领的科学家们与材料科学与工程学院的刘正教授合作，找到了应对之策。

       传统激发

       高教授的解决方案受到 1999 年发表的一种成熟方法的启发，该方法能够用更厚、更大的晶体材料制造纠缠光子对。其包括将两片厚晶片堆叠在一起，并将每片晶片的晶粒彼此垂直定位。不过，一对光子产生的振动仍可能不同步，因为它们在产生后于厚晶体内的传播方式所致。所以，需要额外的光学设备来同步光子对，以维持光粒子之间的联系。高教授的理论是，类似的双晶结构可以用两块厚度为 1.2 微米的氧化二氯化铌薄晶片来产生连接的光子，且无需额外的光学仪器。

样品夹上的氧化二氯化铌薄片

       他预计这种情况会出现，原因在于所使用的薄片比早期研究中那些体积较大的晶体薄很多。结果就是，产生的光子对在氧化二氯化铌薄片中传播的距离更短，所以光粒子能够彼此保持同步。南洋理工大学新加坡研究小组的实验证实了他的预感是正确的。芬兰阿尔托大学的孙志培教授专门从事光子学研究，他没有参与南洋理工大学的这项研究，他表示纠缠光子就如同同步时钟，无论它们相隔多远，都能显示相同的时间，进而实现即时通信。

       他补充道，南洋理工大学团队产生量子纠缠光子的方法 “是一个重大进步，有希望实现量子技术的小型化和集成化。” 芬兰量子技术卓越中心研究委员会的联合首席研究员孙教授说：“这一发展在推动量子计算和安全通信方面具有潜力，因为它允许更紧凑、可扩展且高效的量子系统。” 南洋理工大学的研究小组计划进一步优化他们的装置设计，以产生比目前更多的连接光子对。一些想法包括探究在氧化二氯化铌薄片表面引入微小的图案和凹槽是否能够增加产生的光子对的数量。另一项研究将考察是否将氧化二氯化铌片与其他材料堆叠可以促进光子的产生。