光驱动的量子网络有望实现更快、更强大的通信

在设计中，研究人员排列半导体和磁性材料形成一个由纳米柱组成的平台，每个纳米柱高120纳米。这些纳米柱标志着一个独特的量子态的位置，这个量子态可以与光子相互作用，并允许光子与其它位置的器件相互联系，以及在不同位置与类似结构的阵列相互联系。一个独特的钨硒化合物阵列(WSe2)被一层高活性的三碘化铬(Crl3)覆盖在纳米柱表面上。在原子般薄的12µm表面积的接触层，Crl3给WSe2充电。这创造了一个物理特征，与沿着每个纳米柱基底的空穴类似。这个设计扩展了Vamivakas 实验室之前的工作，他们通过将原子层级的材料放置在另一种材料上面，例如把WSe2放置在Van der Waals异质结来创造或捕获单个光子。在量子物理学中，没有电子则用空穴来表征，每个带正电荷的空穴也具有南北双极磁特性。

一系列纳米柱的特写，每个纳米柱高120纳米。每根柱子都是量子态的位置标记，可以与光子相互作用。一列新颖的钨联硒化物(WSe2)覆盖在纳米柱表面，下面是一层高活性的三碘化铬(CrI3)。原子层级12µm 表面积的接触层，CrI3给予WSe2一个电子电荷，从而在每根纳米柱旁边创造了一个空穴。由来自University of Rochester (图解)的Michael Osadciw供图。

鉴于这种性质，每个空穴同时也是一个纳米级磁铁。当研究人员用激光照射整个器件时，这些纳米磁铁变成了光学活跃的自旋区域。其结果是，它们也发射了光子并与光子相互作用。自旋状态，与传统信息处理中使用的值为0或1的比特位相反，它可以同时对这两个值进行编码，并增加信息处理的能力。

由于纠缠的特性和概念，这个系统建立了量子节点与全远程网络连接的潜在可能。罗彻斯特大学量子光学和量子物理学教授Nick Vamivakas说，这个系统的功能就像一个寄存器，信息可以存储在与光子相互作用的不同空间位置。这种动态机制支持下一步功能性通信网络的发展，这个通信网络通过使用光子远距离分发获得的信息。此外，控制自旋取向与超薄和适当尺寸(120µm) 的Crl3部分消除了对外界磁场的需求。由于用来传递这种磁场的磁线圈非常大(研究人员称MRI系统中使用的线圈类型与其相同) ，这项研究的主要作者Arunabh Mukherjee在谈到这一进展的时候说，研究人员使用的控制方法支持基于单个空穴自旋的量子计算器件的小型化。

罗彻斯特的团队与康奈尔大学的研究人员合作，创造了必要的惰性环境，在这种环境中，因为Crl3具有高度活性，研究人员可以最有效地制备Crl3。合作者最终在充满氮气的手套箱中制备出了Crl3，以避免接触氧气和水分从而造成性能退化。另一个挑战是优化纳米柱的排列，以确保每个相应的空穴和自旋谷可以正确的配置（注册），最终连接到器件的其它节点。广而言之，研究人员必须找到一种方法，即在不损害纠缠或光子特性的情况下，通过光纤将光子远距离传输到其它节点。

Vamivakas 说这项工作即将完成。Vamivakas 和Mukherjee参与了论文的撰写，论文的作者还包括Vamivakas 实验室的Kamran Shayan，以及康奈尔大学的Lizhong Li, Jie Shan和Kin Fai Mak。这项研究成果发表在《Nature Communications》上(www.doi.org/10.1038/s41467-020-19262-2).