科学家发现将量子计算机组件缩小1000倍的方法

来自新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院的博士生 Leevi Kallioniemi 使用蓝色激光装置生成纠缠光子对。 图片来源：新加坡南洋理工大学

研究人员的一项发现可以使量子计算变得更加紧凑，有可能将基本组件缩小 1000 倍，同时所需的设备也更少。

目前正在开发的一类量子计算机依赖于成对的光粒子或光子，这些光粒子或光子相互连接，用量子物理学术语来说就是"纠缠"。 产生这些光子的一种方法是用激光照射毫米厚的晶体，并使用光学设备确保光子相互连接。 这种方法的缺点是体积太大，无法集成到计算机芯片中。

现在，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家们找到了解决这一问题的方法，即使用更薄的材料（厚度仅为 1.2 微米，比头发丝薄约 80 倍）来产生连接的光子对。 而且，他们不需要额外的光学设备来维持光子对之间的联系，从而使整个装置更加简单。

用于在新加坡南洋理工大学实验中产生纠缠光子对的蓝色激光装置。 资料来源：新加坡南洋理工大学

领导研究人员的南洋理工大学高伟博教授说: "我们创造纠缠光子对的新方法为量子光学纠缠源的小型化铺平了道路，这对量子信息和光子量子计算的应用至关重要。"他补充说，这种方法可以缩小量子应用设备的尺寸，因为目前许多量子应用设备都需要大型、笨重的光学设备，而这些设备在工作前需要对准，非常麻烦。

量子计算机有望彻底改变应对许多挑战的方法，从帮助我们更好地了解气候变化，到通过完成复杂的计算和快速找到大型数据集中的模式来更快地找到新药。 例如，当今超级计算机需要数百万年才能完成的计算，量子计算机可以在几分钟内完成。

之所以有望实现这一目标，是因为量子计算机可以同时进行多项计算，而不是像标准计算机那样一次只进行一项计算。

两片薄薄的二氯化氧化铌叠在一起，在光学显微镜下拍照。 一片薄片（灰色薄片）的晶粒与另一片薄片（绿色薄片）的晶粒垂直。 资料来源：新加坡南洋理工大学

量子计算机可以做到这一点，因为它们使用被称为量子比特或量子位的微小开关进行计算，这些开关可以同时处于开和关的状态。 这就好比在空中掷硬币，旋转的硬币处于正面和反面之间的状态。 相比之下，标准计算机使用的开关可以在任何时候打开或关闭，但不能同时打开或关闭。

光子可用作量子计算机的量子比特，以执行更快的计算，因为它们可以同时具有开和关两种状态。 但是，只有当光子是成对产生的，其中一个光子与另一个光子相连或纠缠在一起时，才会同时处于两种状态。 纠缠的一个重要条件是，成对的光子需要同步振动。

使用光子作为量子比特的一个优势是，它们可以在室温下产生和纠缠。 因此，与使用其他粒子（如电子）相比，依靠光子可以更容易、更便宜、更实用，因为其他粒子需要接近外太空低温的超低温才能用于量子计算。

（左起）高炜博教授、吕校丹博士、刘政教授和博士生Leevi Kallioniemi是南洋理工大学新加坡分校团队的成员，他们发现了一种利用极薄材料产生纠缠光子对的新方法。 资料来源：新加坡南洋理工大学

研究人员一直在努力寻找更薄的材料，以产生连接的光子对，从而将其应用到计算机芯片中。 然而，一个挑战是，当材料变薄时，它们产生光子的速度会大大降低，这对于计算来说是不切实际的。

最近的研究进展表明，一种名为二氯化氧化铌的新型晶体材料很有前途，它具有独特的光学和电子特性，尽管很薄，却能高效地产生光子对。 但这些光子对对量子计算机毫无用处，因为它们在产生时并没有纠缠在一起。

南洋理工大学电气与电子工程学院和物理与数学科学学院的高教授与材料科学与工程学院的刘征教授合作，找到了一种解决方案。

高教授的解决方案受到了 1999 年发表的用更厚、更大的晶体材料制造纠缠光子对的成熟方法的启发。 它包括将两片厚晶体堆叠在一起，并将每片晶体的晶粒相互垂直定位；

然而，由于光子对产生后在厚晶体中的传播方式不同，光子对产生的振动仍可能不同步。 因此，需要额外的光学设备来同步光子对，以保持光粒子之间的联系。

高教授推测，类似的双晶装置可以用两片二氯化氧化铌薄晶片（总厚度为 1.2 微米）来产生链接光子，而不需要额外的光学仪器。他预计这种情况会发生，因为所使用的薄片要比早期研究中的大块晶体薄得多。 因此，产生的光子对在二氯化氧化铌薄片中移动的距离较小，所以光粒子之间保持同步。 新加坡南洋理工大学团队的实验证明，他的预感是正确的。

芬兰阿尔托大学的孙志培教授专门研究光子学，他没有参与南洋理工大学的研究。他说，纠缠光子就像同步时钟，无论相隔多远都能显示相同的时间，因此可以实现即时通信，研究团队产生量子纠缠光子的方法"是一项重大进步，有可能实现量子技术的微型化和集成化"；

芬兰研究理事会量子技术卓越中心的联合首席研究员孙教授说："这项研究成果有望推动量子计算和安全通信的发展，因为它可以实现更加紧凑、可扩展和高效的量子系统。"

研究团队计划进一步优化其装置设计，以产生比现在更多的链接光子对。

其中一些想法包括探索在二氯化氧化铌薄片表面引入微小图案和刘海是否能增加产生的光子对数量。 另一个想法是研究将二氯化氧化铌薄片与其他材料堆叠在一起是否能提高光子的产生。

编译自/ScitechDaily