新型纳米元件：让量子技术实现重大飞跃！
导读
据丹麦哥本哈根大学官网近日报道，该校研究人员开发出一种纳米元件，它能发出携带量子信息的光子。这种微型元件经过拓展后，可最终达到量子计算机或者量子互联网所要求的能力。
背景
如今，全世界的科研团队都在开发量子技术，其中一种非常重要的方式就是通过光子来实现量子计算与量子通信。
下图所示：美国国家标准与技术研究院利用基于芯片的光学元件，创造出由一个可见光光子与一个近红外光光子组成的量子纠缠的光子对。
（图片来源：S. Kelley/NIST）
下图所示：德国马克斯普朗克量子光学研究所通过由光子介导的两个囚禁原子之间的量子门实现了数学操作。
（图片来源：MPQ，量子动力学部）
下图所示：加拿大魁北克大学国立科学研究院展示了芯片上的频率梳可同时产生多光子纠缠的量子状态
（图片来源：INRS魁北克大学国立科学研究院）
创新
近日，丹麦哥本哈根大学研究人员开发出一种纳米元件，它能发出携带量子信息的光粒子。这种微型元件尺寸极小，不足人类头发丝宽度的十分之一。它经过拓展后可最终达到量子计算机或者量子互联网所要求的能力。这项研究成果让丹麦处于全球量子竞赛的领先地位。
（图片来源：Ola J. Joensen）
技术
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所混合量子网络（Hy-Q）中心的研究人员们正在专注于开发基于“光路”（也称为纳米光子电路）的量子通信技术。哥本哈根大学的研究人员们已经取得了一项主要进展。
过去五年来，一直为了实现这项突破而努力工作的助理教授莱昂纳多·米多罗（Leonardo Midolo）表示：“这是一个真正的重大成果，尽管元件非常小。”
研究团队发明了一个称为“纳米机械路由器”的元件，它可以发出携带量子信息的光粒子（光子），并引导它们进入光子芯片中的不同方向。光子芯片像计算机微芯片一样，只不过它们采用光子取代了电子。该元件将纳米光机械和量子光子学这两个研究领域结合到了一起。迄今为止，这两个领域还从未结合过。最令人惊叹的是，元件的尺寸仅为人类头发丝宽度的十分之一。这种极小的尺寸非常适合未来的应用。
（图片来源：参考资料【1】）
莱昂纳多·米多罗解释道：“将纳米机械和量子光子学这两个领域结合到一起，是拓展量子技术的一条途径。在量子物理中，拓展这些系统一直极具挑战性。迄今为止，我们已经能够激发出单独的光子。然而，为了通过量子物理完成更高级的任务，我们需要拓展系统的规模，这项发明为我们带来的正是这一点。为了构建量子计算机或者量子互联网，你不仅需要一次一个光子，还会同时需要许多个可以互相联系的光子。”
价值
为了利用量子物理定律去构建量子计算机或者量子英特网，许多的纳米机械路由器必须集成到同一块芯片中。为了足够强大以实现所谓的“量子霸权”，我们大约需要50个光子。据米多罗称，新型纳米机械路由器实现了这个现实目标：“我们计算出，我们的纳米机械路由器已经能够拓展至10个光子的规模，并且通过进一步改进，它将可以达到‘量子霸权’所需的50个光子。”
为了实现在芯片内控制光线的目标，这个发明也成为了一项重大进展。因为大型器件会占据大量空间，所以现有的技术只允许在单个芯片上集成少数路由器。相比而言，纳米机械路由器尺寸非常小，所以几千个这样的路由器可以集成到同一块芯片上。
莱昂纳多·米多罗表示：“我们的元件极度高效，因为它一次可以发出许多个光子，而不会丢失其中的任何一个。现有的其他技术无法做到这一点。
关键字
光子、芯片、量子
参考资料
【1】Camille Papon, Xiaoyan Zhou, Henri Thyrrestrup, Zhe Liu, Søren Stobbe, Rüdiger Schott, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Peter Lodahl, Leonardo Midolo. Nanomechanical single-photon routing. Optica, 2019; 6 (4): 524 DOI: 10.1364/OPTICA.6.000524
【2】https://www.science.ku.dk/english/press/news/2019/nanocomponent-is-a-quantum-leap-for-danish-physicists/