量子光學

首個能在室溫排序光線狀態的量子材料

一種新型量子材料可以在室溫下對不同狀態的光進行排序與傳遞，無需多數光子裝置所依賴的大型超低温冷卻系統，讓實用化光學芯片向常溫運行又走近一步。

• 該材料在室溫下即可對不同量子狀態的光進行分離與引導，而多數量子光學系統以往必須處於接近絕對零度的環境中才能運作。
• 光比電訊號更快、發熱更少，若能以該材料製造芯片，將有助於降低數據中心、光通訊與感測設備的耗能。
• 這是一項原理性驗證：一個能在不做大量冷凍的情況下完成量子光學運作的材料平台，讓相關裝置有望離開實驗室。

大多數操控光量子狀態的裝置——單光子、糾纏光束、拓撲邊模式——只能在接近絕對零度的溫度下工作。這不是技術細節，而是物理限制：量子狀態極其脆弱，熱噪聲會迅速將其打亂。維持超低温的代價很高：體積堪比小房間的稀釋制冷機、數千美元每小時的電力成本，以及需要定期維護，讓這些裝置難以走出實驗室。

研究人員現在報告了一種材料，能在無需冷凍的情況下完成關鍵的量子光學操作——對光的量子狀態進行排序並沿著芯片傳遞。這種材料本身就能保持那些一般矽片或玻璃芯片在升溫後會喪失的量子特性。

對光進行狀態排序，相當於光通訊裡的按寄件者分信件，是不起眼但不可缺少的一步：路由、過濾、開關都依賴它。在室溫下完成這項操作，意味著這些基本元件未來可以與今天的電子芯片放在同一個實驗室檯面上，而不是被封在冰箱裡。

如果這種材料能實現可製造化的工藝，影響將超越基礎研究。處理器之間的光互連會變得更便宜；量子通訊終端能走出實驗室、進入光纖網絡；單光子級感測器也能在無需冷凍的情況下部署到醫療與環境監測現場。

這並不表示冷凍量子技術會過時。超导量子位與最靈敏的光子探測器在可預見的將來仍需要低溫環境。這份研究改變的是這樣一種假設：任何有用的量子光操控都必須以冷凍代價換取。這個長期被視為物理法則的假設，現在正變成一個可以談判的設計約束條件。