Metasurfaces将有助于简化量子信息技术 但也可以实现复杂的应用

CRAIG FRITZ

产生量子纠缠的设备通常体积庞大，且每次只能产生一对纠缠光子。现在，科学家们发明了一种厚度约为一便士三分之一的装置，它不仅可以成对产生复杂的纠缠光子网，还可以将多对纠缠光子连在一起。本发明不仅可以大大简化量子技术所需的设置，而且有助于支持更复杂的量子应用。

据了解，产生纠缠光子的常见方法是将光束照射到一个特殊的“非线性晶体”上。每个晶体都可以将一个光子分裂成两个能量较低、波长较长的纠缠光子。

“传统的纠缠光子产生技术并不灵活，它们只能在通常非常窄的特定波长范围内产生光子对，”合著者Maria Chekhova说，她是德国埃尔朗根马普科学研究所的物理学家。这种窄带宽会限制通信速率。

此外，Chekhova补充道，产生纠缠光子的标准方法最终决定了纠缠光子的许多特性，如波长和偏振。她解释说，如果想进一步操纵这些特征，就需要更多的设备。另外，非线性晶体通常体积较大。对于需要许多纠缠光子的应用来说，这可能很麻烦。“一个量子计算源需要数十或数百个体积庞大的晶体，”研究共同发起人、Albuquerque Sandia国家实验室集成纳米技术中心的物理学家Igal Brener说。

科学家们现在发现，只有大约半毫米厚的设备就足够了。这些设备是亚表面，表面覆盖着大量的微观柱子。Brener说：“我们只需要将一个或多个激光聚焦到一个平坦的样品上，其余的都由亚表面完成。”

每一个亚表面都由一个500微米厚的玻璃表面组成，表面覆盖着砷化镓结构，每个亚表面都类似于约300纳米宽的立方体，上面刻有缺口。调整每个亚表面纳米结构的组成、结构和位置的方式可以帮助科学家控制落在器件上的光的许多特征。

SANDIA NATIONAL LABORATORIES

将激光束照射到这些亚表面上会导致纠缠光子出现。Brener说：“原则上，一个亚表面可以产生几种类型的纠缠光子对。使用多光子对创建更复杂的量子状态可以带来进行量子计算、传感、加密等的新方法或更有效的方法。”

此外，亚表面可以操纵一系列纠缠光子的特征，“但我们还并没有探索那个自由度，”Brener说，“机会是巨大的，我们还只触及了表面。”

目前，这些亚表面的效率较低。Chekhova说：“我们的速率不到每秒一对，而标准晶体的速率为每秒数十万对。” 然而，她指出，进一步改进设备可能会将效率提高至少千倍。

该小组的研究内容在线发表在了8月25日的《科学》杂志上。