科学家开发新技术可“随心所欲”操纵纳米金刚石 量子计算革命即将到来

在电气工程助理教授Justus Ndukaife的带领下，范德比尔特大学的研究人员首次引入了一种方法，利用低功率激光束捕获和移动以氮空位为中心的单个胶体纳米金刚石。人类一根头发的宽度大约是90000纳米，而纳米金刚石小于100纳米。Ndukaife解释说，这些碳基材料是少数几种能够释放所有光的基本单位——单个光子的材料之一，这是未来量子光子学应用的基石。

目前，利用聚焦在纳米级金属表面附近的光场可以捕获纳米金刚石，但无法通过这种方式移动它们，因为激光束斑点太大了。利用原子力显微镜，科学家们需要花费数小时将纳米金刚石一个一个地推入强化排放环境的位置，以形成有用的结构。

此外，Ndukaife说，为了创造纠缠源和量子位(提高量子计算机处理速度的关键元素)，几个纳米金刚石发射器需要紧密地结合在一起，这样它们就可以相互作用产生量子位。

Ndukaife说:“我们打算通过跨学科的方法使捕捉和操纵纳米金刚石变得更简单。”“我们的镊子是一种低频电热等离子体镊子(LFET)，将一小部分激光束与低频交流电场结合在一起。这是一种捕捉和移动纳米金刚石的全新机制。”原本冗长、耗时数小时的过程被缩短为几秒，LFET是同类技术中第一个可伸缩的传输和按需组装技术。

Ndukaife的工作是量子计算的关键组成部分，这项技术将很快实现从高分辨率成像到不可破解系统、更小的设备和计算机芯片的大量应用。2019年，美国能源部投资了6070万美元，用于推进量子计算和网络的发展。

“控制纳米金刚石来制造高效的单光子源，可以用于这类技术，这将塑造未来。” Ndukaife表示，“为了增强量子特性，必须将量子发射器(如带有氮空位中心的纳米金刚石)与纳米光子结构相结合。”

Ndukaife打算进一步探索纳米金刚石，将它们排列到纳米光子结构上，以提高其发射性能。有了这些技术，他的实验室将探索在信息处理和成像的芯片平台上实现超亮单光子源和纠缠的可能性。

“我们可以利用这项研究建立起很多东西。”Ndukaife说，“这是第一项允许我们使用低功率激光束在二维中动态操纵单个纳米尺度物体的技术。”

这项研究得到了美国国家科学基金会ECCS-1933109的资助。

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