近日，研究人員開發出了一種利用“雙曲超材料”增強單光子發射的方法，這是通往開發量子計算機和量子通信技術設備的關鍵一步。
光學超材料能夠利用電子雲(成為表麵等離子體)來操縱光線。在此之前，普渡大學的研究人員已經利用多層氮化鈦和絕緣的氮化鋁鈧製成了“超晶格”(superlattices)。
與其他正在開發中且采用金、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體的製造工藝(用於生產集成電路)兼容。
據報道，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。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麵，可以增強單光子的產生。單光子是量子信息處理的單元，這一新型超材料的開發，將為未來的超級計算機、加密技術和通信技術的發展帶來巨大幫助。
“這些結果表明，將基於納米金剛石的單光子發射器置於雙曲超材料的表麵，可以大幅提升單光子的產生，”普渡大學電氣和計算機工程助理教授亞曆山大·基爾迪謝維(Alexander Kildishev)說，“單光子發射器可以用來研製室溫CMOS兼容的高效單光子源。”
相關的研究結果發表在1月15日的《激光與光電子評論》(Laser & Photonics Reviews)雜誌上。該項工作是由來自普渡大學、俄羅斯量子中心、莫斯科物理技術學院、Lebedev物理研究所以及光子納米技術公司(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”的表麵，以增強單光子的生成能力。單光子是開發量子計算機和量子通信技術設備的關鍵一步。
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麵，不僅可以增強光子的發射，而且改變了光子發射的模式——在量子設備的開發中至關重要。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，後者是普渡大學Birck納米技術中心的納米光子學主管，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曆山德拉(Alexandra Boltasseva)。他們都是普渡大學專攻量子光學的“卓越團隊”成員。
新開發的這一係統代表了一種能在室溫下工作的穩定單光子源，因此具有很大的商業應用潛力。當暴露在激光下時，該係統會從“基態”躍升到“激態”，從而自發地發射出單個光子。基爾迪謝維說：“我們希望能使它更快地釋放出光子，從而增加發射速率。”
研究結果顯示，該係統具備更快產生單光子的能力，並且可以在更多方向上以較大數量產生單光子。超材料具有可以改造的表麵，不同的特征、模式或元素，如微型天線或氮化物層的調整，都能以前所未有的方式對光進行操縱。光學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。
量子計算機的開發基於量子理論所描述的兩種現象：量子疊加(superposition)和量子糾纏(entanglement)。與傳統電腦隻有0和1兩種狀態不同，量子計算機具有許多可能的“量子疊加狀態”。基於量子物理學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”狀態進行信息記錄成為可能，這對量子計算而言至關重要。自旋可以是“向上”或“向下”——形成上和下兩種狀態的量子疊加——代表了一種處理信息的新技術。
未來的研究工作將可能包括該係統的改進，利用結合了雙曲超材料和納米天線、光學波導的設備，提高係統的效率並使係統更加緊湊。接下來，研究人員會改進該係統的“自旋特性”，利用氮原子空位研究上、下兩種狀態之間的光學對比。
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