科学家开发出效率高达92%的铌酸锂钻石芯片

金刚石和铌酸锂通常被誉为高性能量子材料。现在，在 Q-NEXT 中心的支持下，科学家们将这两种材料组合成了一个单一的量子器件，并取得了令人兴奋的成果。量子信息科学家一直在寻找成功的材料组合，这些材料可以在分子水平上进行操作，从而可靠地存储和传输信息。

继最近的一次原理验证之后，研究人员又将一种新的化合物组合加入量子材料的行列。

在《ACS Photonics》上发表的一项研究中，研究人员将两种纳米级结构（一种由金刚石制成，另一种由铌酸锂制成）组合在一块芯片上。然后，他们将光线从金刚石发送到铌酸锂，并测量了成功穿过的光线比例。这个分数越大，说明材料的耦合效率越高，这种配对作为量子设备的组件也就越有前景。

这项研究得到了美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心 Q-NEXT 的部分支持。斯坦福大学的 Amir Safavi-Naeini 和 Jelena Vuckovic 领导了这项研究。

论文合著者、斯坦福大学博士生霍普-李（Hope Lee）说："这个装置的效率达到92%，这是一个令人兴奋的结果，它显示了该平台的优势。"（霍普-李是斯坦福大学的一名博士生，在芝加哥大学读本科时曾与Q-NEXT主任大卫-奥沙隆（David Awschalom）共事）

量子技术利用物质在分子尺度上的特殊功能来处理信息。量子计算机、网络和传感器有望在医疗、通信和物流等领域对我们的生活产生巨大影响。量子信息以称为量子比特的数据包形式传输，而量子比特可以有多种形式。在研究团队的新平台中，量子比特以光粒子的形式传输信息。可靠的量子比特对于量子通信网络等技术至关重要。与传统网络一样，量子网络中的信息从一个节点传输到另一个节点。静态量子比特存储节点内的信息；飞行量子比特在节点之间传输信息。

研究团队的新芯片将成为固定量子比特的基础。静态量子比特越强大，量子网络就越可靠，网络覆盖的距离也就越远。跨越一个大陆的量子网络指日可待。

长期以来，钻石一直被誉为量子比特的理想之所。首先，金刚石的分子结构很容易操纵，可以容纳固定的量子比特。其次，金刚石寄存的量子比特可以在相对较长的时间内保持信息，这意味着有更多的时间来进行计算。此外，使用金刚石寄存的量子比特进行的计算具有很高的精确度。

在该小组的研究中，金刚石的搭档铌酸锂是处理量子信息的另一个明星。铌酸锂的特殊性能使科学家们可以改变穿过它的光的频率，从而实现多功能性。例如，研究人员可以对铌酸锂施加电场或机械应变，以调整它如何引导光线。此外，还可以改变铌酸锂晶体结构的方向。定期翻转晶体结构也是塑造光线通过材料的另一种方法。

论文共同作者、斯坦福大学博士生杰森-赫尔曼（Jason Herrmann）说："我们可以利用铌酸锂的这些特性来转换和改变来自钻石的光线，以对不同实验有用的方式对其进行调制。例如，基本上可以把光转换成现有通信基础设施使用的频率。因此，铌酸锂的这些特性确实非常有益。"

传统上，金刚石托管量子比特发出的光被导入光导纤维或自由空间。在这两种情况下，实验装置都很笨重。光导纤维又长又笨重。而将量子比特传输到自由空间则需要笨重的设备。

当来自钻石量子比特的光被导入铌酸锂时，所有这些设备都将消失。几乎所有的元件都可以放置在一个微小的芯片上。

李说："将尽可能多的设备和功能集成到单个芯片上有一个好处。它更稳定。而且还能真正实现设置的小型化。"

不仅如此，由于这两个装置是通过一根细如发丝的灯丝连接在一起的--其宽度仅为头发丝的 1/100--量子光被挤压到通向铌酸锂的狭窄通道中，从而增加了光与材料之间的相互作用，使操纵光的特性变得更加容易。

Herrmann说："当所有不同的光粒子在如此小的体积内相互作用时，你就能在转换过程中获得更高的效率。与使用纤维或自由空间的设置相比，能够在集成平台中做到这一点将有望产生更高的效率。"

开发该平台所面临的挑战之一是如何操纵仅 300 纳米宽的钻石与铌酸锂对齐。

李说："我们不得不用细小的针戳钻石，将它移来移去，直到它在盘子上的位置明显看起来是正确的。这几乎就像是用小筷子在戳它"。

测量传输的光线是另一个艰苦的过程。

Herrmann 说："我们必须真正确保我们考虑到了所有光线传输或损耗的地方，这样才能说'这是从钻石到铌酸锂的传输量'。校准测量需要反复进行，以确保我们做得正确"。

研究小组正在计划进一步的实验，利用金刚石和铌酸锂单独或共同提供的量子信息优势。他们的最新成功只是一个里程碑，他们希望在这两种材料的基础上开发出多种多样的设备。

通过将这两种材料平台结合在一起，并将光线从一种材料引导到另一种材料，研究表明，与其只使用一种材料，确实可以同时拥有两种材料的优点。