近日，研究人員開發(fā)出了一種利用“雙曲超材料”增強單光子發(fā)射的方法，這是通往開發(fā)量子計算機和量子通信技術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵一步。
光學(xué)超材料能夠利用電子云(成為表面等離子體)來操縱光線。在此之前，普渡大學(xué)的研究人員已經(jīng)利用多層氮化鈦和絕緣的氮化鋁鈧制成了“超晶格”(superlattices)。
與其他正在開發(fā)中且采用金、銀等貴金屬的等離子體組件不同，新型超材料與互補金屬氧化物半導(dǎo)體的制造工藝(用于生產(chǎn)集成電路)兼容。
據(jù)報道，這種超材料是雙曲型的，意味著它具有能增加光輸出的獨特性質(zhì)。在近期的研究中，研究人員闡述了將含有“氮-空位中心”的納米金剛石附著在新型超材料表面，可以增強單光子的產(chǎn)生。單光子是量子信息處理的單元，這一新型超材料的開發(fā)，將為未來的超級計算機、加密技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展帶來巨大幫助。
“這些結(jié)果表明，將基于納米金剛石的單光子發(fā)射器置于雙曲超材料的表面，可以大幅提升單光子的產(chǎn)生，”普渡大學(xué)電氣和計算機工程助理教授亞歷山大·基爾迪謝維(Alexander Kildishev)說，“單光子發(fā)射器可以用來研制室溫CMOS兼容的高效單光子源。”
相關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表在1月15日的《激光與光電子評論》(Laser & Photonics Reviews)雜志上。該項工作是由來自普渡大學(xué)、俄羅斯量子中心、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院、Lebedev物理研究所以及光子納米技術(shù)公司(Photonic Nano-meta Technologies Inc)的研究人員共同完成的。
圖1 納米金剛石被放到一種新型“雙曲超材料”的表面，以增強單光子的生成能力。單光子是開發(fā)量子計算機和量子通信技術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵一步。
論文主要作者、研究生米哈伊爾(Mikhail Y. Shalaginov)稱，氮-空位中心是金剛石晶格中原子級別的缺陷，是由一個氮原子取代一個碳原子所形成的鄰近空隙。將包含氮-空位中心的納米金剛石放到雙曲超材料的表面，不僅可以增強光子的發(fā)射，而且改變了光子發(fā)射的模式——在量子設(shè)備的開發(fā)中至關(guān)重要。米哈伊爾和基爾迪謝維正與另一位研究者弗拉基米爾(Vladimir M. Shalaev)的團隊合作，后者是普渡大學(xué)Birck納米技術(shù)中心的納米光子學(xué)主管，同時也是一位出色的電氣和計算機工程教授。此外，參與研究的還有電氣和計算機工程助理教授亞歷山德拉(Alexandra Boltasseva)。他們都是普渡大學(xué)專攻量子光學(xué)的“卓越團隊”成員。
新開發(fā)的這一系統(tǒng)代表了一種能在室溫下工作的穩(wěn)定單光子源，因此具有很大的商業(yè)應(yīng)用潛力。當(dāng)暴露在激光下時，該系統(tǒng)會從“基態(tài)”躍升到“激態(tài)”，從而自發(fā)地發(fā)射出單個光子?；鶢柕现x維說：“我們希望能使它更快地釋放出光子，從而增加發(fā)射速率。”
研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具備更快產(chǎn)生單光子的能力，并且可以在更多方向上以較大數(shù)量產(chǎn)生單光子。超材料具有可以改造的表面，不同的特征、模式或元素，如微型天線或氮化物層的調(diào)整，都能以前所未有的方式對光進行操縱。光學(xué)超材料由人工原子和分子所組成，具有在納米水平上進行精確工程的潛力。
量子計算機的開發(fā)基于量子理論所描述的兩種現(xiàn)象：量子疊加(superposition)和量子糾纏(entanglement)。與傳統(tǒng)電腦只有0和1兩種狀態(tài)不同，量子計算機具有許多可能的“量子疊加狀態(tài)”?；诹孔游锢韺W(xué)的計算機將具有量子比特(qubits)，能增加量子計算機處理、保存和傳輸信息的能力。氮原子空位還使利用原子核或電子“自旋”狀態(tài)進行信息記錄成為可能，這對量子計算而言至關(guān)重要。自旋可以是“向上”或“向下”——形成上和下兩種狀態(tài)的量子疊加——代表了一種處理信息的新技術(shù)。
未來的研究工作將可能包括該系統(tǒng)的改進，利用結(jié)合了雙曲超材料和納米天線、光學(xué)波導(dǎo)的設(shè)備，提高系統(tǒng)的效率并使系統(tǒng)更加緊湊。接下來，研究人員會改進該系統(tǒng)的“自旋特性”，利用氮原子空位研究上、下兩種狀態(tài)之間的光學(xué)對比。
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