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纵以可靠地存储和传输信息。在最近的原理验证演示之后，研究人员正在将一种新的化合物组合添加到量子材料名册中。
在ACS Photonics上发布的一项研究中，研究人员将两种纳米结构组合到一个芯片上。然后，他们将光从钻石发送到铌酸锂，并测量成功穿过的光的比例。
该分数越大，材料的耦合效率就越高，并且作为量子器件中的组件的配对就越有希望。
结果：92%的光从钻石跃升为铌酸锂。
该研究得到了美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的部分支持，该中心由美国能源部阿贡国家实验室领导。斯坦福大学的Amir Safavi-Naeini和Jelena Vuckovic领导了这项研究。
从这个设备中获得92%的效率是一个令人兴奋的结果，”论文合著者、斯坦福大学博士生、研究员Hope Lee说，他在芝加哥大学读本科时曾与Q-NEXT主任David Awschalom一起工作。“它显示了平台的优势。”
量子技术在分子尺度上利用物质的特殊特征来处理信息。量子计算机、网络和传感器预计将对医学、通信和物流等领域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递，可以采用多种形式。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播到另一个节点。固定量子比特在节点内存储信息;飞行量子比特在节点之间传输信息。
研究团队的新芯片将构成固定量子比特的基础。稳态量子比特越健壮，量子网络越可靠，网络可以覆盖的距离就越远。跨越一个大陆的量子网络触手可及。
长期以来，Diamond 一直被吹捧为量子比特的好去处。首先，钻石的分子结构可以很容易地纵来承载固定的量子比特。另一方面，钻石托管的量子比特可以在相对较长的时间内保留信息，这意味着有更多的时间来执行计算。此外，使用钻石托管的量子比特执行的计算表现出很高的准确性。
戴蒙德在该小组研究中的合作伙伴铌酸锂是处理量子信息的另一位明星。它的特殊特性允许科学家改变通过它的光的频率，从而为科学家提供了多功能性。
例如，研究人员可以对铌
酸锂施加电场或机械应变，以调整其引导光的方式。也可以翻转其晶体结构的方向。定期这样做是塑造光线通过材料的另一种方法。
“你可以利用铌酸锂的这些特性来转换和改变来自钻石的光，以对不同实验有用的方式进行调制，”论文合著者、斯坦福大学博士生Jason Herrmann说。“例如，你基本上可以将光转换为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是有益的。
传统上，来自金刚石托管量子比特的光被引导到光纤电缆或自由空间中。在这两种情况下，实验设置都很笨拙。光纤电缆很长、悬垂且松软。将量子比特传输到自由空间需要笨重的设备。
当来自钻石量子比特的光被引导到铌酸锂中时，所有这些设备都会消失。几乎每个组件都可以放置在一个微小的芯片上。
“在单个芯片上拥有尽可能多的设备和功能是有好处的，”Lee说。“它更稳定。它确实可以让你的设置小型化。
不仅如此，由于这两个设备由一根细如细的细丝连接，量子光被挤压到通向铌酸锂的狭窄通道中，增加了光与材料的相互作用，使其更容易操纵光的特性。
“当所有不同的光粒子在如此小的体积中相互作用时，你会在转换过程中获得更高的效率，”Herrmann说。“与使用光纤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带来更高的效率。”
开发该平台的挑战之一是操纵仅 300 纳米宽的金刚石，使其与铌酸锂对齐。
“我们不得不用细小的针戳钻石，让它四处移动，直到它看起来明显地位于这个盘子上的正确位置，”Lee 说。“这几乎就像你用小筷子戳它一样。”
测量传输光是另一个艰苦的过程。
“我们必须真正确保我们考虑了所有光的传输或丢失的地方，以便能够说，'这就是从钻石到铌酸锂的含量，'”赫尔曼说。“校准测量需要来回进行很多工作，以确保我们做得正确。”
该团队正在计划进一步的实验，利用金刚石和铌酸锂提供的量子信息优势，无论是单独还是一起。他们最近的成功只是他们希望基于这两种材料的多样化设备菜单中的一个里程碑。
“通过将这两个材料平台放在一起，并将光线从一个平台引导到另一个平台，我们表明，与其只使用一种材料，不如真正拥有两全其美的效果，”Lee说。
