目前量子電腦的運作非常困難且昂貴。大多數需要接近絕對零度的溫度，大約-459華氏度，以維持計算和通訊所需的脆弱量子態。
現在，史丹佛大學的研究人員開發了一種奈米級光學元件，可以在室溫下工作，同時橋接光和電子的量子特性。這項突破可能有助於為能夠長距離傳輸訊息的更小、成本更低的量子技術鋪平道路。
新設備允許光子、構成光的粒子和電子之間發生糾纏。這種量子連接被認為是未來量子通訊系統的基本要求。
史丹佛大學材料科學與工程教授、該研究的主要作者 Jennifer Dionne 表示：“所討論的材料並不是真正的新材料，但我們使用它的方式卻是新的。” 自然通訊。 “它在電子和光子之間提供了一種非常通用且穩定的自旋連接，這是量子通信的理論基礎。然而，通常情況下，電子失去自旋太快而無法發揮作用。”
扭曲光和量子旋轉
此元件將二硒化鉬 (MoSe2) 薄圖案層與奈米圖案矽基板結合在一起。二硒化鉬屬於過渡金屬二硫屬化物 (TMDC) 材料家族，因其獨特的光學和量子特性而受到重視。
研究人員表示，矽奈米結構發揮關鍵作用，創造了他們所謂的「扭曲光」。
「矽奈米結構能夠實現我們所說的『扭曲光’，」迪翁實驗室的博士後研究員、該論文的第一作者馮潘解釋道。 “馮像開瓶器一樣旋轉，但更重要的是，我們可以利用這些旋轉光子將自旋傳遞給電子，這是量子計算的核心。”
迪翁說，這些結構非常小，大約是可見光波長的大小，無法用肉眼看到。
「圖案化的奈米結構是人眼無法察覺的，大約是可見光波長的大小，」迪翁補充道。 “但它們幫助我們非常精確地操縱光子，在特定方向上旋轉，例如向上或向下。”
更簡單的量子通訊方式
研究人員可以利用這種扭曲的光來糾纏電子的自旋，從而創建量子位元，這是量子資訊系統的基本建構模組。
在傳統計算中，資訊由零和一表示。在量子技術中，量子位元具有類似的目的，但它們可以利用量子力學效應以全新的方式處理和傳輸訊息。
量子技術面臨的最大挑戰之一是維持穩定的量子態。在許多現有系統中，必須進行極端冷卻，以避免出現退相干過程，在退相干過程中，微妙的量子資訊會失去。
由於新設備在室溫下運行，因此它避免了限制量子技術廣泛使用的主要障礙之一。研究人員表示，與許多目前的量子系統相比，緊湊的設計也相對便宜且實用。
如果進一步發展，該技術將有助於安全通訊、先進感測、高效能運算、人工智慧和其他新興應用的進步。
材料有什麼用？
該團隊選擇TMDC材料是因為它們具有不同尋常的量子特性，並與專門研究此類材料的史丹佛大學研究人員Fang Liu和Tony Heinz合作。
「這一切都與這種材料和我們的矽晶片有關，」潘說。 “它們共同有效地限制和增強了光的扭曲，以在光子和電子之間產生強自旋耦合。這穩定了量子態，使量子通信成為可能。”
這種結合使光和物質能夠更強烈地相互作用，有助於維持通訊和計算所需的量子特性。
邁向未來的量子網絡
研究人員繼續改進該設備，並正在探索其他可能提供更好性能的 TMDC 材料和材料組合。他們也正在研究這些系統是否能夠揭示目前在室溫下不可能實現的新量子能力。
長期目標是將此類設備整合到更大的量子網路中。要實現這一願景需要改進光源、調製器、探測器和互連等支援技術。
最終，研究人員希望量子組件能夠足夠小型化，以便融入日常電子產品。儘管這個未來還需要很多年，但這項工作代表了使量子技術更容易獲得且實用的一步。
潘笑著說：“如果我們能做到這一點，也許有一天我們可以在手機上進行量子計算。” “但這是一個長達10多年的計劃。”
