導讀
據丹麥哥本哈根大學官網近日報道，該校研究人員開發出一種納米元件，它能發出攜帶量子信息的光子。這種微型元件經過拓展後，可最終達到量子計算機或者量子互聯網所要求的能力。
背景
如今，全世界的科研團隊都在開發量子技術，其中一種非常重要的方式就是通過光子來實現量子計算與量子通信。
下圖所示：美國國家標準與技術研究院利用基於芯片的光學元件，創造出由一個可見光光子與一個近紅外光光子組成的量子糾纏的光子對。
（圖片來源：S. Kelley/NIST）
下圖所示：德國馬克斯普朗克量子光學研究所通過由光子介導的兩個囚禁原子之間的量子門實現了數學操作。
下圖所示：加拿大魁北克大學國立科學研究院展示了芯片上的頻率梳可同時產生多光子糾纏的量子狀態
（圖片來源：INRS魁北克大學國立科學研究院）
創新
近日，丹麥哥本哈根大學研究人員開發出一種納米元件，它能發出攜帶量子信息的光粒子。這種微型元件尺寸極小，不足人類頭髮絲寬度的十分之一。它經過拓展後可最終達到量子計算機或者量子互聯網所要求的能力。這項研究成果讓丹麥處於全球量子競賽的領先地位。
（圖片來源：Ola J. Joensen）
技術
哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所混合量子網絡（Hy-Q）中心的研究人員們正在專注於開發基於“光路”（也稱為納米光子電路）的量子通信技術。哥本哈根大學的研究人員們已經取得了一項主要進展。
過去五年來，一直為了實現這項突破而努力工作的助理教授萊昂納多·米多羅（Leonardo Midolo）表示：“這是一個真正的重大成果，儘管元件非常小。”
研究團隊發明了一個稱為“納米機械路由器”的元件，它可以發出攜帶量子信息的光粒子（光子），並引導它們進入光子芯片中的不同方向。光子芯片像計算機微芯片一樣，只不過它們採用光子取代了電子。該元件將納米光機械和量子光子學這兩個研究領域結合到了一起。迄今為止，這兩個領域還從未結合過。最令人驚歎的是，元件的尺寸僅為人類頭髮絲寬度的十分之一。這種極小的尺寸非常適合未來的應用。
萊昂納多·米多羅解釋道：“將納米機械和量子光子學這兩個領域結合到一起，是拓展量子技術的一條途徑。在量子物理中，拓展這些系統一直極具挑戰性。迄今為止，我們已經能夠激發出單獨的光子。然而，為了通過量子物理完成更高級的任務，我們需要拓展系統的規模，這項發明為我們帶來的正是這一點。為了構建量子計算機或者量子互聯網，你不僅需要一次一個光子，還會同時需要許多個可以互相聯繫的光子。”
價值
為了利用量子物理定律去構建量子計算機或者量子英特網，許多的納米機械路由器必須集成到同一塊芯片中。為了足夠強大以實現所謂的“量子霸權”，我們大約需要50個光子。據米多羅稱，新型納米機械路由器實現了這個現實目標：“我們計算出，我們的納米機械路由器已經能夠拓展至10個光子的規模，並且通過進一步改進，它將可以達到‘量子霸權’所需的50個光子。”
為了實現在芯片內控制光線的目標，這個發明也成為了一項重大進展。因為大型器件會佔據大量空間，所以現有的技術只允許在單個芯片上集成少數路由器。相比而言，納米機械路由器尺寸非常小，所以幾千個這樣的路由器可以集成到同一塊芯片上。
萊昂納多·米多羅表示：“我們的元件極度高效，因為它一次可以發出許多個光子，而不會丟失其中的任何一個。現有的其他技術無法做到這一點。
關鍵字
光子、芯片、量子
【1】Camille Papon, Xiaoyan Zhou, Henri Thyrrestrup, Zhe Liu, Søren Stobbe, Rüdiger Schott, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Peter Lodahl, Leonardo Midolo. Nanomechanical single-photon routing. Optica, 2019; 6 (4): 524 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000524
【2】https://www.science.ku.dk/english/press/news/2019/nanocomponent-is-a-quantum-leap-for-danish-physicists/
閱讀更多 環球創新智慧 的文章
