科学探索|科学家实现对单个纳米级量子物体的低功耗动态操控科学家实现对单个纳米级量子

在电气工程系助理教授Justus Ndukaife的领导下，范德比尔特大学的研究人员首次推出了一种利用低功率激光束诱捕和移动被称为具有氮空穴中心的单一胶体纳米金刚石的纳米材料的方法。一根人类头发的宽度约为90000纳米；而纳米钻石则小于100纳米。Ndukaife解释说，这些碳基材料是少数能够释放所有光的基本单位--单光子--未来量子光子学应用的组成部分。
【科学探索|科学家实现对单个纳米级量子物体的低功耗动态操控】

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目前有可能利用聚焦在纳米级金属表面附近的光场来捕获纳米金刚石，但不可能以这种方式移动它们，因为激光束的光斑实在太大了。使用原子力显微镜，科学家们需要花费数小时才能在发射增强环境附近将纳米钻石一个个推到合适的位置，形成一个有用的结构。此外，为了创造纠缠源和量子比特--提高量子计算机处理速度的关键要素--需要几个纳米金刚石发射器靠近，以便它们能够相互作用，形成量子比特，Ndukaife说。"我们着手通过使用一种跨学科的方法使诱捕和操纵纳米金刚石变得更加简单。我们的镊子，一个低频电热等离子体镊子（LFET），将一小部分激光束与低频交变电流电场相结合。这是一种捕获和移动纳米钻石的全新机制。一个繁琐的、长达数小时的过程被缩短到几秒钟，LFET是同类技术中第一个可扩展的运输和按需组装技术。"
Ndukaife的工作是量子计算的一个关键成分，这项技术将很快实现大量的应用，从高分辨率成像到创建不可破解的系统和越来越小的设备和计算机芯片。2019年，美国能源部投入了6070万美元的资金，以推进量子计算和网络的发展。
"控制纳米金刚石以制造可用于这类技术的高效单光子源将塑造未来，"Ndukaife说。"为了增强量子特性，必须将量子发射器（如带有氮空穴中心的纳米金刚石）与纳米光子结构相耦合。"
Ndukaife打算进一步探索纳米金刚石，将它们排列到旨在提高其发射性能的纳米光子结构上。有了它们，他的实验室将探索在信息处理和成像的片上平台中实现超亮单光子源和纠缠的可能性。"我们有很多东西可以利用这项研究来建立。"他说，"这是第一项允许我们使用低功率激光束在二维空间动态操纵单个纳米级物体的技术。"