超薄材料實現高效糾纏光子對產生，有望使量子電腦關鍵元件縮小千倍
科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳 發表於 2024年10月18日
圖、超薄材料實現高效糾纏光子對產生，有望使量子電腦關鍵元件縮小千倍
量子運算技術正在迎來一個重大突破。近日發表在《Nature Photonics》期刊上的一項研究表明，科學家們有望將量子電腦的關鍵元件縮小千倍，同時大幅簡化所需設備。這一發現不僅可能徹底改變量子電腦的設計，還可能加速其商業化進程。
新加坡南洋理工大學（NTU）的研究團隊成功開發出一種利用僅1.2微米厚的二維材料來產生糾纏光子對的技術。這種材料比人類頭髮還要薄80倍，遠遠小於目前常用的毫米級晶體。更令人驚喜的是，這種方法無需額外的光學設備就能維持光子對之間的量子糾纏，大大簡化了整個系統的設置。
量子電腦之所以備受矚目，是因為它有望解決傳統超級電腦需要數百萬年才能完成的複雜計算。這種革命性的運算能力源於量子位元（qubits）的特殊性質。不同於傳統電腦中的位元只能處於開或關的狀態，量子位元可以同時處於多個狀態，這使得量子電腦能夠同時進行大量運算。
光子作為量子位元的候選者有其獨特優勢。首先，光子可以在室溫下產生和糾纏，這比使用需要極低溫的電子更為簡單、經濟和實用。其次，光子具有同時處於多個狀態的能力，這正是量子運算所需要的。然而，要實現這一點，關鍵在於產生糾纏的光子對，並確保它們的振動保持同步。
長期以來，科學家一直在尋找更薄的材料來產生糾纏光子對，以便將其整合到電腦晶片中。然而，隨著材料變薄，光子的產生率急劇下降，這對運算來說是不切實際的。最近的研究發現，一種名為二氯氧化鈮(NbOCl2)的新型二維晶體材料，雖然很薄，但能高效產生光子對。不過，這些光子對在產生時並未糾纏，因此無法直接用於量子運算。
NTU的研究團隊提出了一個創新的解決方案。他們的方法受到1999年發表的一項研究的啟發，該研究利用較厚的晶體材料堆疊來產生糾纏光子對。研究人員推測，類似的雙晶體設置可以應用於二氯氧化鈮的薄晶片，而且由於材料更薄，光子在晶體中傳播的距離更短，可能無需額外的光學儀器就能保持同步。
實驗結果證實了研究人員的猜想。這種新方法不僅成功產生了糾纏光子對，而且大大簡化了整個系統。這一突破為製造更小、更高效的量子糾纏光子源鋪平了道路，這對量子資訊和光子量子運算的應用至關重要。
芬蘭阿爾托大學的光子學專家Zhipei Sun教授評論道，糾纏光子就像同步的時鐘，無論相距多遠都顯示相同的時間，因此可以實現即時通訊。他認為NTU團隊的方法是一項重大進展，有望實現量子技術的微型化和整合。
這項研究的意義不僅限於量子運算領域。它還可能推動量子通訊的發展，為更安全、更高效的通訊系統提供基礎。此外，這種微型化的趨勢可能為量子感測器等其他量子技術應用開闢新的可能性。
NTU研究團隊計劃進一步優化他們的裝置，以產生更多的糾纏光子對。他們正在探索在二氯氧化鈮晶片表面引入微小圖案和凹槽，或者將其與其他材料堆疊，以增加光子對的產量。這些努力有望進一步提高系統的效率和實用性。
這項研究代表了量子運算領域的一個重要里程碑。它不僅展示了微米級材料在量子技術中的巨大潛力，還為解決量子電腦微型化和整合的挑戰提供了一個有希望的方向，並為未來量子運算的廣泛應用和商業化鋪平道路。(1222字；圖1)
參考資料：
Van der Waals Stacking Enables Entangled Photons, Potentially Shrinking Quantum Computing Components by 1,000 Times. The Quantum Insider. 2024/10/14.
Quantum computing and photonics discovery potentially shrinks critical parts by 1,000 times. Phys.Org. 2024/10/14.
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