古老的纳米比亚石头可能是未来量子计算机的关键

诸平

Cuprous oxide – the mined crystal from Namibia used for making Rydberg polaritons. Credit: University of St Andrews

据英国圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）2022年4月15日报道，古老的纳米比亚石头可能是未来量子计算机的关键（Ancient Namibian stone could hold key to future quantum computers）。

圣安德鲁斯大学领导的一项新研究表明，利用一颗古老的纳米比亚宝石（Namibian gemstone）制造的一种特殊形式的光可能是新的基于光的量子计算机的关键，这种计算机可以解决长期以来的科学谜题。

这项研究是与美国哈佛大学（Harvard University）、澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University）和丹麦奥胡斯大学（Aarhus University）的科学家合作进行的，相关研究结果于2022年4月14日已经在《自然材料》（Nature Materials）杂志网站发表——Konstantinos Orfanakis, Sai Kiran Rajendran, Valentin Walther, Thomas Volz, Thomas Pohl, Hamid Ohadi. Rydberg exciton–polaritons in a Cu₂O microcavity. Nature Materials, 2022.  DOI: 10.1038/s41563-022-01230-4. Published: 14 April 2022. https://doi.org/10.1038/s41563-022-01230-4.

参与此项研究的还有来自美国哈佛-史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的研究人员。此研究使用一种天然开采自纳米比亚（Namibia）的氧化亚铜(Cu₂O)宝石来生产里德伯格极化子（Rydberg polaritons），这是迄今为止创造的最大的光和物质混合粒子。

里德伯格极化子不断地从光到物质、物质到光来回转换。在里德伯格极化子中，光和物质就像硬币的两面，物质的一面使极化子相互作用。

这种相互作用是至关重要的，因为它允许量子模拟器的创建，这是一种特殊类型的量子计算机，信息存储在量子比特（quantum bits）中。这些量子比特，不同于经典计算机中只能是0或1的二进制位，可以取0和1之间的任何值。因此，它们可以存储更多的信息，并同时执行多个处理。

这种能力可以使量子模拟器解决物理学、化学和生物的重要秘密,例如,如何制得供高速列车使用的高温超导体（high-temperature superconductors）,如何制造廉价肥料可能解决全球饥饿问题,或蛋白质如何折叠使其更容易产生更有效的药物。

圣安德鲁斯大学物理与天文学院（School of Physics and Astronomy）的项目负责人哈米德·欧哈迪博士（Dr. Hamid Ohadi）说:“用光制造一个量子模拟器是科学的圣杯。通过创造里德伯格极化子，我们已经朝着这个方向迈出了一大步，里德伯格极化子是它的关键成分。”

为了创造里德伯格极化子，研究人员将光线困在两个高度反射的镜子之间。从纳米比亚开采的一块石头中提取出的氧化亚铜晶体，再将其变薄并抛光成30微米厚的平板(比一根头发还薄)，然后夹在两个镜子之间，使里德伯格极化子比之前展示的要大100倍。

圣安德鲁斯大学物理与天文学院的赛·基兰·拉金德兰博士（Dr. Sai Kiran Rajendran）是该研究的主要作者之一，他说:“在易趣（eBay）上购买此类宝石很容易。所面临的挑战是如何使里德伯极化子存在于一个极其狭窄的颜色范围内。”

该团队目前正在进一步改进这些方法，以探索制造量子电路的可能性，这是量子模拟器（quantum simulators）的下一个组成部分。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Discovery of matter-wave polaritons sheds new light on photonic quantum technologies

Abstract

Giant Rydberg excitons with principal quantum numbers as high as n=25 have been observed in cuprous oxide (Cu₂O), a semiconductor in which the exciton diameter can become as large as ～1 μm. The giant dimension of these excitons results in excitonic interaction enhancements of orders of magnitude. Rydberg exciton–polaritons, formed by the strong coupling of Rydberg excitons to cavity photons, are a promising route to exploit these interactions and achieve a scalable, strongly correlated solid-state platform. However, the strong coupling of these excitons to cavity photons has remained elusive. Here, by embedding a thin Cu₂O crystal into a Fabry–Pérot microcavity, we achieve strong coupling of light to Cu₂O Rydberg excitons up to n=6 and demonstrate the formation of Cu₂O Rydberg exciton–polaritons. These results pave the way towards realizing strongly interacting exciton–polaritons and exploring strongly correlated phases of matter using light on a chip.