一种新型室温量子器件利用扭曲光使光子与电子发生纠缠，克服了量子技术领域最大的障碍之一。这一突破有望为更小型、更低成本的量子系统铺平道路，其应用涵盖从安全通信到未来人工智能及计算平台。
目前，斯坦福大学的研究人员开发出了一种可在室温下工作并能连接光与电子量子特性的纳米级光学器件。这一进展有望为体积更小、成本更低的量子技术铺平道路，使其能够长距离传输信息。
这种新器件实现了光子（组成光的粒子）与电子之间的纠缠。这种量子连接被认为是未来量子通信系统的一个基本要求。
“所用的材料其实并不新，但我们使用它的方式是新的，”斯坦福大学材料科学与工程教授、发表在《自然-通讯》上的这项研究的资深作者詹妮弗·迪奥内说，“它提供了电子和光子之间非常通用且稳定的自旋连接，这是量子通信的理论基础。然而，通常情况下，电子失去自旋的速度太快，以至于无法加以利用。”
扭曲光与量子自旋
该器件结合了二硒化钼（MoSe2）薄图案化层与纳米图案化硅衬底。二硒化钼属于一类被称为过渡金属硫族化合物（TMDCs）的材料，这类材料因其独特的光学和量子特性而备受重视。
据研究人员介绍，硅纳米结构通过产生他们所谓的“扭曲光”发挥了关键作用。
“硅纳米结构实现了我们所说的‘扭曲光’，”迪奥内实验室的博士后研究员、该论文的第一作者冯·潘解释道，“光子以螺旋方式旋转，但更重要的是，我们可以利用这些旋转的光子将自旋传递给电子，而电子正是量子计算的核心。”
迪奥内指出，这些图案化结构非常微小，其尺寸大致与可见光波长相当，肉眼无法看见。
“这些图案化纳米结构肉眼难以察觉，大约只有可见光波长的大小，”迪奥内补充道，“但它们能帮助我们非常精确地操控光子，使其旋转——例如向上或向下扭曲。”
通往量子通信的更简捷路径
研究人员可以利用这种扭曲光与电子自旋发生纠缠，从而生成量子比特，这是量子信息系统的基本构建单元。
在传统计算中，信息由0和1表示。在量子技术中，量子比特起着类似的作用，但可以利用量子力学效应以全新的方式处理和传输信息。
量子技术面临的最大挑战之一是维持稳定的量子态。在许多现有系统中，必须进行极低温冷却以防止一种被称为“退相干”的过程，在该过程中，脆弱的量子信息会丢失。
由于这种新器件能在室温下工作，它避免了限制量子技术广泛应用的主要障碍之一。研究人员表示，与许多现有的量子系统相比，这种紧凑的设计成本相对低廉且更加实用。
如果得到进一步开发，该技术有望推动安全通信、先进传感、高性能计算、人工智能以及其他新兴应用领域的进步。
材料为何至关重要
该团队选择TMDC材料是因为其独特的量子特性，并与斯坦福大学专门研究这些材料的研究人员刘芳和托尼·海因茨进行了合作。
“归根结底，这取决于这种材料和我们的硅芯片，”潘说，“它们共同有效地限制并增强了光的扭曲，从而在光子和电子之间建立起强烈的自旋耦合。这稳定了量子态，使得量子通信成为可能。”
这种组合使光与物质之间的相互作用更加强烈，有助于保持通信和计算任务所需的量子特性。
迈向未来的量子网络
研究人员正在继续改进该器件，并探索能够提供更佳性能的其他TMDC材料和材料组合。他们还在研究这些系统是否能展现出目前在室温下无法实现的新量子能力。
一个长期目标是将此类器件集成到更大的量子网络中。要实现这一愿景，需要改进光源、调制器、探测器和互连器件等支撑技术。
最终，研究人员希望量子组件能够实现充分的微型化，以便融入日常电子产品中。虽然这一未来仍需多年才能实现，但这项工作代表着向量子技术更普及、更实用迈出了一步。
“如果我们能做到这一点，也许有一天我们可以在手机上进行量子计算，”潘笑着说，“但这至少是一个十年规划。”