金剛石和鈮酸鋰通常被譽為高效能量子材料。現在，在 Q-NEXT 中心的支援下，科學家們將這兩種材料組合成了一個單一的量子器件，並取得了令人興奮的成果。量子資訊科學家一直在尋找成功的材料組合，這些材料可以在分子水平上進行操作，從而可靠地儲存和傳輸資訊。
繼最近的一次原理驗證之後，研究人員又將一種新的化合物組合加入量子材料的行列。
在《ACS Photonics》上發表的一項研究中，研究人員將兩種奈米級結構（一種由金剛石製成，另一種由鈮酸鋰製成）組合在一塊晶片上。然後，他們將光線從金剛石傳送到鈮酸鋰，並測量了成功穿過的光線比例。這個分數越大，說明材料的耦合效率越高，這種配對作為量子裝置的元件也就越有前景。
這項研究得到了美國能源部阿貢國家實驗室領導的美國能源部國家量子資訊科學研究中心 Q-NEXT 的部分支援。斯坦福大學的 Amir Safavi-Naeini 和 Jelena Vuckovic 領導了這項研究。
論文合著者、斯坦福大學博士生霍普-李（Hope Lee）說："這個裝置的效率達到92%，這是一個令人興奮的結果，它顯示了該平臺的優勢。"（霍普-李是斯坦福大學的一名博士生，在芝加哥大學讀本科時曾與Q-NEXT主任大衛-奧沙隆（David Awschalom）共事）
量子技術利用物質在分子尺度上的特殊功能來處理資訊。量子計算機、網路和感測器有望在醫療、通訊和物流等領域對我們的生活產生巨大影響。量子資訊以稱為量子位元的資料包形式傳輸，而量子位元可以有多種形式。在研究團隊的新平臺中，量子位元以光粒子的形式傳輸資訊。可靠的量子位元對於量子通訊網路等技術至關重要。與傳統網路一樣，量子網路中的資訊從一個節點傳輸到另一個節點。靜態量子位元儲存節點內的資訊；飛行量子位元在節點之間傳輸資訊。
研究團隊的新晶片將成為固定量子位元的基礎。靜態量子位元越強大，量子網路就越可靠，網路覆蓋的距離也就越遠。跨越一個大陸的量子網路指日可待。
長期以來，鑽石一直被譽為量子位元的理想之所。首先，金剛石的分子結構很容易操縱，可以容納固定的量子位元。其次，金剛石寄存的量子位元可以在相對較長的時間內保持資訊，這意味著有更多的時間來進行計算。此外，使用金剛石寄存的量子位元進行的計算具有很高的精確度。
在該小組的研究中，金剛石的搭檔鈮酸鋰是處理量子資訊的另一個明星。鈮酸鋰的特殊效能使科學家們可以改變穿過它的光的頻率，從而實現多功能性。例如，研究人員可以對鈮酸鋰施加電場或機械應變，以調整它如何引導光線。此外，還可以改變鈮酸鋰晶體結構的方向。定期翻轉晶體結構也是塑造光線透過材料的另一種方法。
論文共同作者、斯坦福大學博士生傑森-赫爾曼（Jason Herrmann）說："我們可以利用鈮酸鋰的這些特性來轉換和改變來自鑽石的光線，以對不同實驗有用的方式對其進行調製。例如，基本上可以把光轉換成現有通訊基礎設施使用的頻率。因此，鈮酸鋰的這些特性確實非常有益。"
傳統上，金剛石託管量子位元發出的光被匯入光導纖維或自由空間。在這兩種情況下，實驗裝置都很笨重。光導纖維又長又笨重。而將量子位元傳輸到自由空間則需要笨重的裝置。
當來自鑽石量子位元的光被匯入鈮酸鋰時，所有這些裝置都將消失。幾乎所有的元件都可以放置在一個微小的晶片上。
李說："將盡可能多的裝置和功能整合到單個晶片上有一個好處。它更穩定。而且還能真正實現設定的小型化。"
不僅如此，由於這兩個裝置是透過一根細如髮絲的燈絲連線在一起的--其寬度僅為頭髮絲的 1/100--量子光被擠壓到通向鈮酸鋰的狹窄通道中，從而增加了光與材料之間的相互作用，使操縱光的特性變得更加容易。
Herrmann說："當所有不同的光粒子在如此小的體積內相互作用時，你就能在轉換過程中獲得更高的效率。與使用纖維或自由空間的設定相比，能夠在整合平臺中做到這一點將有望產生更高的效率。"
開發該平臺所面臨的挑戰之一是如何操縱僅 300 奈米寬的鑽石與鈮酸鋰對齊。
李說："我們不得不用細小的針戳鑽石，將它移來移去，直到它在盤子上的位置明顯看起來是正確的。這幾乎就像是用小筷子在戳它"。
測量傳輸的光線是另一個艱苦的過程。
Herrmann 說："我們必須真正確保我們考慮到了所有光線傳輸或損耗的地方，這樣才能說這是從鑽石到鈮酸鋰的傳輸量。校準測量需要反覆進行，以確保我們做得正確"。
研究小組正在計劃進一步的實驗，利用金剛石和鈮酸鋰單獨或共同提供的量子資訊優勢。他們的最新成功只是一個里程碑，他們希望在這兩種材料的基礎上開發出多種多樣的裝置。
透過將這兩種材料平臺結合在一起，並將光線從一種材料引導到另一種材料，研究表明，與其只使用一種材料，確實可以同時擁有兩種材料的優點。
編譯來源：ScitechDaily
