研究人員開發出一種革命性的方法，利用更薄的材料產生糾纏的光子對，從而大幅縮小量子計算元件的尺寸。這一突破為量子技術提供了更簡單、更緊湊的設定，有可能改變從氣候科學到製藥的各個領域。
來自新加坡南洋理工大學物理與數學科學學院的博士生 Leevi Kallioniemi 使用藍色鐳射裝置生成糾纏光子對。 圖片來源：新加坡國立大學
研究人員的一項發現可以使量子計算變得更加緊湊，有可能將基本元件縮小 1000 倍，同時所需的裝置也更少。
目前正在開發的一類量子計算機依賴於成對的光粒子或光子，這些光粒子或光子相互連線，用量子物理學術語來說就是"糾纏"。 產生這些光子的一種方法是用鐳射照射毫米厚的晶體，並使用光學裝置確保光子相互連線。 這種方法的缺點是體積太大，無法整合到計算機晶片中。
現在，新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家們找到了解決這一問題的方法，即使用更薄的材料（厚度僅為 1.2 微米，比頭髮絲薄約 80 倍）來產生連線的光子對。 而且，他們不需要額外的光學裝置來維持光子對之間的聯絡，從而使整個裝置更加簡單。
用於在新加坡國立大學實驗中產生糾纏光子對的藍色鐳射裝置。 資料來源：新加坡國立大學
"我們創造糾纏光子對的新方法為量子光學糾纏源的小型化鋪平了道路，這對量子資訊和光子量子計算的應用至關重要。"他補充說，這種方法可以縮小量子應用裝置的尺寸，因為目前許多量子應用裝置都需要大型、笨重的光學裝置，而這些裝置在工作前需要對準，非常麻煩。
量子計算機有望徹底改變應對許多挑戰的方法，從幫助我們更好地瞭解氣候變化，到透過完成複雜的計算和快速找到大型資料集中的模式來更快地找到新藥。 例如，當今超級計算機需要數百萬年才能完成的計算，量子計算機可以在幾分鐘內完成。
之所以有望實現這一目標，是因為量子計算機可以同時進行多項計算，而不是像標準計算機那樣一次只進行一項計算。
兩片薄薄的二氯化氧化鈮疊在一起，在光學顯微鏡下拍照。 一片薄片（灰色薄片）的晶粒與另一片薄片（綠色薄片）的晶粒垂直。 資料來源：新加坡國立大學
量子計算機可以做到這一點，因為它們使用被稱為量子位元或量子位的微小開關進行計算，這些開關可以同時處於開和關的狀態。 這就好比在空中擲硬幣，旋轉的硬幣處於正面和反面之間的狀態。 相比之下，標準計算機使用的開關可以在任何時候開啟或關閉，但不能同時開啟或關閉。
光子可用作量子計算機的量子位元，以執行更快的計算，因為它們可以同時具有開和關兩種狀態。 但是，只有當光子是成對產生的，其中一個光子與另一個光子相連或糾纏在一起時，才會同時處於兩種狀態。 糾纏的一個重要條件是，成對的光子需要同步振動。
使用光子作為量子位元的一個優勢是，它們可以在室溫下產生和糾纏。 因此，與使用其他粒子（如電子）相比，依靠光子可以更容易、更便宜、更實用，因為其他粒子需要接近外太空低溫的超低溫才能用於量子計算。
(左起）高為波教授、柳曉丹博士、劉正教授和博士生Leevi Kallioniemi是南洋理工大學新加坡分校團隊的成員，他們發現了一種利用極薄材料產生糾纏光子對的新方法。 資料來源：新加坡國立大學
研究人員一直在努力尋找更薄的材料，以產生連線的光子對，從而將其應用到計算機晶片中。 然而，一個挑戰是，當材料變薄時，它們產生光子的速度會大大降低，這對於計算來說是不切實際的。
最近的研究進展表明，一種名為二氯化氧化鈮的新型晶體材料很有前途，它具有獨特的光學和電子特性，儘管很薄，卻能高效地產生光子對。 但這些光子對對量子計算機毫無用處，因為它們在產生時並沒有糾纏在一起。
南洋理工大學電氣與電子工程學院和物理與數學科學學院的高教授與材料科學與工程學院的劉徵教授合作，找到了一種解決方案。
高教授的解決方案受到了 1999 年發表的用更厚、更大的晶體材料製造糾纏光子對的成熟方法的啟發。 它包括將兩片厚晶體堆疊在一起，並將每片晶體的晶粒相互垂直定位；
然而，由於光子對產生後在厚晶體中的傳播方式不同，光子對產生的振動仍可能不同步。 因此，需要額外的光學裝置來同步光子對，以保持光粒子之間的聯絡。
高教授推測，類似的雙晶裝置可以用兩片二氯化氧化鈮薄晶片（總厚度為 1.2 微米）來產生連結光子，而不需要額外的光學儀器。他預計這種情況會發生，因為所使用的薄片要比早期研究中的大塊晶體薄得多。 因此，產生的光子對在二氯化氧化鈮薄片中移動的距離較小，所以光粒子之間保持同步。 新加坡國立大學團隊的實驗證明，他的預感是正確的。
芬蘭阿爾託大學的孫志培教授專門研究光子學，他沒有參與南洋理工大學的研究。他說，糾纏光子就像同步時鐘，無論相隔多遠都能顯示相同的時間，因此可以實現即時通訊，研究團隊產生量子糾纏光子的方法"是一項重大進步，有可能實現量子技術的微型化和整合化"；
芬蘭研究理事會量子技術卓越中心的聯合首席研究員孫教授說："這項研究成果有望推動量子計算和安全通訊的發展，因為它可以實現更加緊湊、可擴充套件和高效的量子系統。"
研究團隊計劃進一步最佳化其裝置設計，以產生比現在更多的連結光子對。
其中一些想法包括探索在二氯化氧化鈮薄片表面引入微小圖案和劉海是否能增加產生的光子對數量。 另一個想法是研究將二氯化氧化鈮薄片與其他材料堆疊在一起是否能提高光子的產生。
編譯自/ScitechDaily
