研究人员的发现可以使量子计算更加紧凑，有可能将基本组件缩小1,000倍，同时所需的设备也更少。这项研究发表在《自然光子学》上。

目前正在开发的一类量子计算机依赖于光粒子或光子，光子是成对产生的，用量子物理学术语来说就是“纠缠”在一起的。产生这些光子的一种方法是将激光照射到几毫米厚的晶体上，并使用光学设备确保光子连接在一起。这种方法的缺点是它太大，无法集成到计算机芯片中。

现在，新加坡南洋理工大学(NTUSingapore)的科学家找到了一种解决此方法问题的方法，即使用厚度仅为1.2微米(比头发丝薄约80倍)的薄得多的材料来产生链接的光子对。而且他们无需额外的光学设备来维持光子对之间的链接，从而使整个装置更简单。

领导这项研究的南洋理工大学高伟波教授表示：“我们创建纠缠光子对的新方法为制造更小的量子光纠缠源铺平了道路，这对于量子信息和光子量子计算的应用至关重要。”

他补充说，该方法可以缩小量子应用设备的尺寸，因为目前许多此类设备都需要大型、笨重的光学设备才能工作，而这些设备的对准非常麻烦。

新加坡南洋理工大学实验中用于产生纠缠光子对的蓝色激光装置。图片来源：新加坡南洋理工大学

更薄的材料

量子计算机有望彻底改变解决许多挑战的方法，从帮助我们更好地了解气候变化，到通过完成复杂的计算和快速发现大型数据集中的模式来更快地找到新药。例如，今天的超级计算机需要数百万年才能解决的计算，量子计算机可以在几分钟内完成。

这是可以预见的，因为量子计算机可以同时执行许多计算，而不是像标准计算机那样一次执行一项计算。

量子计算机之所以能做到这一点，是因为它们使用称为量子比特的微型开关进行计算，这些开关可以同时处于开启和关闭状态。这类似于在空中抛硬币，旋转的硬币处于正面和反面之间的状态。相比之下，标准计算机使用的开关可以随时打开或关闭，但不能同时打开和关闭。

光子可以用作量子计算机的量子比特，以执行更快的计算，因为它们可以同时处于开启和关闭状态。但只有当光子成对产生时，一个光子与另一个光子相连或纠缠，才能同时处于两种状态。纠缠的一个重要条件是成对的光子需要同步振动。

使用光子作为量子比特的一个优势是它们可以在室温下产生和纠缠。因此，依靠光子比使用电子等其他粒子更容易、更便宜、更实用，因为电子需要接近外太空寒冷的超低温才能用于量子计算。

研究人员一直在尝试寻找更薄的材料来产生相连的光子对，以便将其用于计算机芯片。然而，一个挑战是，当材料变薄时，它们产生光子的速率会大大降低，这对于计算来说是不切实际的。

最新进展表明，一种名为二氯化氧化铌的新型晶体材料前景光明，它具有独特的光学和电子特性，尽管厚度很薄，但可以高效地产生光子对。但这些光子对对量子计算机来说是无用的，因为它们在产生时并不纠缠。

南洋理工大学的科学家以高教授为首，与材料科学与工程学院的刘政教授合作，找到了解决方案。高教授是南洋理工大学电气与电子工程学院和物理与数学科学学院的教授。

源于传统

高教授的解决方案受到一种成熟的方法的启发，该方法利用更厚、更大的晶体材料创建纠缠光子对，于1999年发表。该方法涉及将两片厚晶体薄片堆叠在一起，并将每片晶体薄片的晶粒垂直放置。

然而，由于光子在厚晶体中形成后的运动方式，成对产生的光子的振动仍可能不同步。因此需要额外的光学设备来同步光子对，以保持光粒子之间的联系。

高教授的理论是，可以使用类似的双晶装置，使用两片薄的二氯化氧化铌晶片，总厚度为1.2微米，无需额外的光学仪器即可产生链接的光子。

他之所以预料到这种情况会发生，是因为所用的薄片比早期研究中的体积更大的晶体要薄得多。因此，产生的光子对在氧化铌二氯化物薄片中传播的距离更小，因此光粒子彼此保持同步。新加坡南洋理工大学团队的实验证明了他的猜测是正确的。

芬兰阿尔托大学的孙志培教授是光子学专家，他没有参与南洋理工大学的这项研究，他表示，纠缠光子就像同步时钟，无论相距多远，都会显示相同的时间，因此可以实现即时通信。

他补充说，NTU团队产生量子纠缠光子的方法“是一项重大进步，有可能实现量子技术的小型化和集成化。”

芬兰研究委员会量子技术卓越中心联合首席研究员孙教授表示：“这一发展有望推动量子计算和安全通信的发展，因为它可以实现更紧凑、可扩展和高效的量子系统。”

NTU团队计划进一步优化其装置的设计，以产生比现在更多的链接光子对。

一些想法包括探索在二氯化铌薄片表面引入微小图案和凹槽是否可以增加产生的光子对数量。另一个想法将研究将二氯化铌薄片与其他材料堆叠是否可以增加光子的产生。