输信息利用光的量子特性传

下图这幅由量子光学和量子物理学教授尼克·瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）实验室创建的纳米级节点的插图显示了一个阵列柱的特写，每个柱体只有120纳米高。每根柱子都是一个可以与光子相互作用的量子态的位置标记。一种新型的钨二硒化物（WSe2）材料排列覆盖在柱子上，下面是一层高活性的三碘化铬（CrI3）。在原子薄的12微米区域层接触的地方，CrI3向WSe2传递电荷，在每根柱子旁边形成一个“洞”。

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罗切斯特大学和康奈尔大学的研究人员已经朝着开发一种通信网络迈出了重要的一步，这种通信网络通过使用光子实现长距离的信息交换，光的无质量测量是量子计算和量子通信系统的关键要素。

研究小组设计了一个纳米级的节点，由磁性和半导体材料制成，可以与其他节点相互作用，利用激光发射和接收光子。

与目前用于计算和通信的网络相比，这种量子网络的发展旨在利用光和物质的物理特性，从而实现更快、更有效的通信、计算和探测物体和材料的方法。

在《自然通讯Nature Communications》杂志上，研究人员描述，这个节点由一排只有120纳米高的柱子组成。这些柱子是一个平台的一部分，平台上含有原子薄层半导体和磁性材料。

该阵列的设计使得每个支柱都可以作为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整个设备中的其他位置类似阵列进行信息交互。这种通过远程网络连接量子节点的潜力利用了纠缠的概念，这是一种量子力学现象，在其最基本的层面上，描述了粒子的性质是如何在亚原子水平上连接的。

“这是一种寄存器的开始，如果你愿意的话，它可以在不同的空间位置存储信息并与光子相互作用，”罗切斯特大学量子光学和量子物理学教授Vamivakas说。

走向“微型化量子计算机”

该项目建立在Vamivakas实验室近年来在所谓的范德华异质结构中使用钨二硒醚（WSe2）的工作基础上。这项工作利用原子层上的薄层材料来产生或捕获单个光子。

新设备采用了一种新颖的钨二硒醚排列方式，材料覆盖在纳米柱上，下面是一层反应性很强的三碘化铬（CrI3）。在原子薄的12微米区域层接触的地方，CrI3向WSe2传递电荷，在每根柱子旁边形成一个“洞”。

在量子物理学中，空穴的特征是没有电子。每个带正电荷的空穴也有一个与之相关的南北磁特性，因此每个空穴也是一个纳米磁铁

当装置放置在激光下时，会发生进一步的反应，将纳米磁铁变成单独的光学活性自旋阵列，发射光子并与光子相互作用。而经典的信息处理处理处理的比特值要么是0，要么是1，自旋态可以同时对0和1进行编码，扩大了信息处理的可能性。

“能够使用超薄和12微米的大CrI3来控制空穴的自旋方向，取代了使用类似于MRI系统中使用的巨大磁线圈的外部磁场的需要，”主要作者和研究生Arunabh Mukherjee说，“这将大大有助于基于单孔自旋的量子计算机小型化。”

未来：远方的纠缠？

研究人员在制造这种装置时面临两大挑战。

一个是创造一个惰性的环境，在其中与高度反应的CrI3工作。这就是与康奈尔大学的合作发挥作用的地方。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，我们就在这方面与他们进行了协调。例如，CrI3的制造是在充满氮气的手套箱中完成的，以避免氧气和水分降解。”

另一个挑战是确定正确的支柱配置，以确保与每个支柱相关的孔和自旋谷可以正确注册，最终链接到其他节点。

下一个主要挑战是：找到一种方法，在保持光子纠缠特性的同时，通过光纤将光子远距离发送到其他节点。

Vamivakas说：“虽然目前我们还没有设计出能促进这种行为的装置。但道路就在前面。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-quantum-properties-transmit.html

（来自：物理学家组织网，实验帮译）

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