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量子光学技术突破:利用“双曲超材料”增强单光子发射

导读: 纳米金刚石被放到一种新型“双曲超材料”的表面,以增强单光子的生成能力。单光子是开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步。

  纳米金刚石被放到一种新型“双曲超材料”的表面,以增强单光子的生成能力。单光子是开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步。

  15日消息,据国外媒体报道,近日,研究人员开发出了一种利用“双曲超材料”增强单光子发射的方法,这是通往开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步。

  光学超材料能够利用电子云(成为表面等离子体)来操纵光线。在此之前,普渡大学的研究人员已经利用多层氮化钛和绝缘的氮化铝钪制成了“超晶格”(superlattices)。与其他正在开发中且采用金、银等贵金属的等离子体组件不同,新型超材料与互补金属氧化物半导体的制造工艺(用于生产集成电路)兼容。

  据报道,这种超材料是双曲型的,意味着它具有能增加光输出的独特性质。在近期的研究中,研究人员阐述了将含有“氮-空位中心”的纳米金刚石附着在新型超材料表面,可以增强单光子的产生。单光子是量子信息处理的单元,这一新型超材料的开发,将为未来的超级计算机、加密技术和通信技术的发展带来巨大帮助。

  “这些结果表明,将基于纳米金刚石的单光子发射器置于双曲超材料的表面,可以大幅提升单光子的产生,”普渡大学电气和计算机工程助理教授亚历山大·基尔迪谢维(AlexanderKildishev)说,“单光子发射器可以用来研制室温CMOS兼容的高效单光子源。”

  相关的研究结果发表在1月15日的《激光与光电子评论》(Laser&PhotonicsReviews)杂志上。该项工作是由来自普渡大学、俄罗斯量子中心、莫斯科物理技术学院、Lebedev物理研究所以及光子纳米技术公司(PhotonicNano-MetaTechnologiesInc)的研究人员共同完成的。

  论文主要作者、研究生米哈伊尔(MikhailY.Shalaginov)称,氮-空位中心是金刚石晶格中原子级别的缺陷,是由一个氮原子取代一个碳原子所形成的邻近空隙。将包含氮-空位中心的纳米金刚石放到双曲超材料的表面,不仅可以增强光子的发射,而且改变了光子发射的模式——在量子设备的开发中至关重要。米哈伊尔和基尔迪谢维正与另一位研究者弗拉基米尔(VladimirM.Shalaev)的团队合作,后者是普渡大学Birck纳米技术中心的纳米光子学主管,同时也是一位出色的电气和计算机工程教授。此外,参与研究的还有电气和计算机工程助理教授亚历山德拉(AlexandraBoltasseva)。他们都是普渡大学专攻量子光学的“卓越团队”成员。

  新开发的这一系统代表了一种能在室温下工作的稳定单光子源,因此具有很大的商业应用潜力。当暴露在激光下时,该系统会从“基态”跃升到“激态”,从而自发地发射出单个光子。基尔迪谢维说:“我们希望能使它更快地释放出光子,从而增加发射速率。”

  研究结果显示,该系统具备更快产生单光子的能力,并且可以在更多方向上以较大数量产生单光子。超材料具有可以改造的表面,不同的特征、模式或元素,如微型天线或氮化物层的调整,都能以前所未有的方式对光进行操纵。光学超材料由人工原子和分子所组成,具有在纳米水平上进行精确工程的潜力。

  量子计算机的开发基于量子理论所描述的两种现象:量子叠加(superposition)和量子纠缠(entanglement)。与传统电脑只有0和1两种状态不同,量子计算机具有许多可能的“量子叠加状态”。基于量子物理学的计算机将具有量子比特(qubits),能增加量子计算机处理、保存和传输信息的能力。氮原子空位还使利用原子核或电子“自旋”状态进行信息记录成为可能,这对量子计算而言至关重要。自旋可以是“向上”或“向下”——形成上和下两种状态的量子叠加——代表了一种处理信息的新技术。

  未来的研究工作将可能包括该系统的改进,利用结合了双曲超材料和纳米天线、光学波导的设备,提高系统的效率并使系统更加紧凑。接下来,研究人员会改进该系统的“自旋特性”,利用氮原子空位研究上、下两种状态之间的光学对比。

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