使用微小的纳米级节点构建量子网络

量子光学和量子物理学教授尼克·瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）的实验室创建的纳米级节点的插图显示了阵列支柱之一的特写，每个阵列支柱的高度仅为120纳米。每个支柱都充当可与光子相互作用的量子状态的位置标记。二硒化钨（WSe2）的新颖排列方式覆盖在柱子上，并具有下面的高反应性三碘化铬（CrI3）层。在原子薄的12微米面积层接触的地方，CrI3将电荷赋予WSe2，在每个支柱旁边形成一个“孔”。

最新研究证明了一种利用光的量子特性传输信息的方法，这是通往下一代计算和通信系统之路的关键一步。

罗彻斯特大学和康奈尔大学的研究人员朝着开发一种通信网络迈出了重要的一步，该通信网络通过使用光子，无质量的光量度来长距离交换信息，光子是量子计算和量子通信系统的关键要素。

研究团队设计了一个由磁性和半导体材料制成的纳米级节点，该节点可以与其他节点相互作用，使用激光发射和接受光子。

此类量子网络的开发旨在利用量子力学所表征的光和物质的物理特性，与目前用于计算和分析的网络相比，它提供了一种更快，更有效的通信，计算和检测物体和材料的方式。通讯。

该节点在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上进行了描述，由仅120纳米高的一系列支柱组成。支柱是平台的一部分，该平台包含半导体和磁性材料的原子薄层。

对阵列进行了工程设计，使得每个柱子都可以用作量子状态的位置标记，该量子状态可以与光子相互作用，并且关联的光子可以潜在地与设备上的其他位置以及其他位置的类似阵列相互作用。跨远程网络连接量子节点的潜力利用了纠缠的概念，纠缠是一种量子力学现象，在其最基本的层面上，它描述了粒子的特性如何在亚原子层面上进行连接。

罗彻斯特量子光学和量子物理学教授尼克·瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）说：“如果您愿意，这是一种注册的开始，在这里不同的空间位置可以存储信息并与光子相互作用。”

朝着“使量子计算机小型化”迈进

该项目基于Vamivakas实验室近年来在所谓的Van der Waals异质结构中使用二硒化钨（WSe2）进行的工作。这项工作在彼此之上使用了原子薄材料层，以创建或捕获单个光子。

这种新器件采用了一种新颖的WSe2排列，该排列覆盖在柱子上，并带有一层底层的，高反应性的三碘化铬（CrI3）层。在原子薄的12微米面积层接触的地方，CrI3将电荷赋予WSe2，在每个支柱旁边形成一个“孔”。

在量子物理学中，空穴的特征在于不存在电子。每个带正电的孔还具有与之关联的二元北/南磁特性，因此每个也是纳米磁铁。

当设备浸入激光中时，会发生进一步的反应，从而将纳米磁体转变为单独的光学活性自旋阵列，该阵列发射光子并与光子相互作用。传统的信息处理处理的值为0或1的位，自旋状态可以同时对0和1进行编码，从而扩展了信息处理的可能性。

主要作者和研究生Arunabh Mukherjee说：“能够使用超薄和12微米大的CrI3来控制孔的旋转方向，从而不再需要像MRI系统中那样使用来自巨大电磁线圈的外部磁场。”“这将使基于单孔自旋的量子计算机小型化大有帮助。“

还在后面：纠缠在远处？

研究人员在创建设备时面临着两个主要挑战。

其中之一是创造一种惰性环境，在其中可与高反应性CrI3一起使用。这就是与康奈尔大学合作的地方。Vamivakas说：“他们在三碘化铬方面有很多专业知识，自从我们第一次与之合作以来，我们就此方面与他们进行了协调。”例如，CrI3的制造是在充氮手套箱中完成的，以避免氧气和水分降解。

另一个挑战是确定支柱的正确配置，以确保与每个支柱关联的孔和自旋凹谷可以正确注册以最终链接到其他节点。

这是下一个主要挑战：找到一种方法，将光子通过光纤长距离发送到其他节点，同时保留它们的纠缠特性。

Vamivakas说：“我们尚未设计出能够促进这种行为的设备。”“那是在路上。”

参考：Arunabh Mukherjee，Kamran Shayan，Lizhong Li，Jie Shan，Kin Fai Mak和A.Nick Vamivakas的“观察CrI3 / WSe2异质结构中的局部控制的带电激子”，自然通讯，DOI：2020年10月30日。
10.1038 / s41467-020-19262-2

除了瓦米瓦卡斯（Vamivakas）和穆克吉（Mukherjee），其他论文的合著者包括瓦米瓦卡斯实验室的主要作者卡姆兰·沙扬（Kamran Shayan）以及康奈尔大学的李中忠，杰山和麦健辉。

国家科学基金会，空军科学研究所和能源部以资金支持了该项目。