研究人员开发了一种革命性方法，可使用更薄的材料产生纠缠光子对，从而极大地缩小了量子计算组件的尺寸。

这一突破使得量子技术的设置更加简单、紧凑，或将推动气候科学、制药等多个领域的发展。

量子计算取得突破

研究人员的一项发现可能会使量子计算机体积更小，在使关键部件缩小1000倍的同时，所需设备也更少。

目前正在开发的一类量子计算机依赖于以量子物理学术语来说成对连接或“纠缠”在一起的光粒子（或光子）。产生这些光子的方法之一是，将激光照射在毫米级的晶体上，并利用光学设备确保光子彼此连接。这种方法的缺点是体积过大，无法集成到计算机芯片中。

现在，新加坡南洋理工大学 (NTU Singapore) 的科学家已经找到了一种解决该问题的方法，即使用厚度仅为 1.2 微米（大约是头发丝厚度的 1/80）的超薄材料产生相关联的光子对。他们无需额外的光学装置来保持光子对之间的关联，从而使整体设置更加简单。

创新方法

领导此次研究的南洋理工大学的高伟博教授表示：“我们创造纠缠光子对的新方法为制造更小的量子光学纠缠源铺平了道路，对于量子信息和光子量子计算的应用来说，这将至关重要。”

他补充道，该方法可以缩小量子应用设备的体积，因为目前许多这类设备在投入工作前都需要配备庞大且笨重的光学设备，而这些设备的校准工作也十分繁琐。

量子计算革命

量子计算机有望为应对众多挑战带来革命性突破，可通过执行复杂的计算和在庞大的数据集中快速发现规律，来帮助我们更好地了解气候变化，更快地找到新药。例如，当今需要超级计算机数百万年才能完成的计算，量子计算机在几分钟内即可完成。

这是意料之中的事，因为量子计算机能同时执行多项计算，而不像传统计算机那样一次只能执行一项计算。

基于光子的量子比特

量子计算机之所以能做到这一点，是因为它们使用一种叫做量子比特（qubit）的微小开关来进行计算，这种开关可以同时处于开启和关闭状态。这就像在空中抛掷一枚硬币，旋转的硬币处于正面和反面的中间状态。相比之下，标准计算机使用的开关在任何时候只能处于开启或关闭状态，而不能同时处于这两种状态。

光子可以同时处于开启和关闭状态，因此可以用作量子计算机的量子位（qubit），执行更快速的运算。但光子只有成对产生时，才会同时处于两种状态，其中一个光子与另一个光子相互连接或纠缠。产生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，依赖光子可能比使用其他粒子（如电子）更容易、更便宜、更实用，因为电子在用于量子计算之前需要接近外太空寒冷的超低温度。

克服物质限制

研究人员一直在尝试寻找更薄的材料来生成成对的光子，以便将其制成计算机芯片。然而，一个难题是当材料变得更薄时，其生成光子的速率会大大降低，这对于计算而言不切实际。

近期研究表明，一种名为二氯氧化铌的新型晶体材料颇具前景，它具备独特的光学和电子特性，尽管厚度很薄，却能有效产生光子对。但这些光子对对于量子计算机而言却毫无用处，因为它们在产生时并未形成纠缠态。

来自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科学家们，在刘政材料科学与工程学院教授的协助下，由高教授带领找到了解决方案。

传统激发的巨大飞跃

高教授的解决方案受1999年发表的一种利用更厚、更笨重的晶体材料产生纠缠光子对的成熟方法的启发。该方法需要将两块厚晶体叠在一起，并使每块晶体的晶粒彼此垂直定位。

然而，由于一对光子在厚晶体中传播的方式，它们产生的振动仍可能不同步。因此，需要额外的光学设备来使光子对同步，从而保持光粒子之间的连接。

高教授提出理论，认为可以使用类似的双晶体装置，使用两片厚度为1.2微米的二氯化铌氧化物薄晶体，无需额外的光学仪器即可产生关联光子。

他预料到会发生这种情况，因为所使用的薄片比早期研究中使用的体积更大的晶体要薄得多。因此，在二氯化铌氧薄片内产生的光子对传播的距离更短，所以光粒子之间始终保持同步。新加坡南洋理工大学团队的实验证明了他的直觉是正确的。

量子计算的未来得到增强

来自芬兰阿尔托大学的光子学专家孙志培（音译）教授并未参与南洋理工大学的研究，他表示，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，从而实现即时通讯。

他补充道，南洋理工大学团队生成量子纠缠光子的方法“是一项重大进展，有望使量子技术实现小型化和集成化”。

“该发展在推进量子计算和保密通信方面具有潜力，因为它能使量子系统更紧凑、可扩展且高效，”芬兰研究理事会量子技术中心首席研究员孙教授说道。

南洋理工大学的研究团队计划进一步优化其装置的设计，以产生比现在更多的成对关联光子。

一些想法包括探索在二氯化铌薄片表面引入微小图案和凹槽是否可以增加产生的光子对的数量。另一个想法是研究将二氯化铌薄片与其他材料堆叠是否可以提高光子产量。

参考文献：《范德华工程在量子纠缠光子产生中的应用》，作者：莱维·卡利奥涅米、吕晓丹、何瑞华、阿卜杜拉·拉斯米塔、段瑞环、刘政和高伟博，发表于2024年10月14日《自然·光子学》杂志。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s41566-024-01545-5。