為發展量子信息科學，未來5年撥款84億元，​期待量子計算時代！

2020-10-18 博科園

量子計算和量子密碼學被期望比經典計算機提供更高的能力。例如，由於基本單位量子位(量子比特)的性質不同，量子系統中的計算能力可能會以雙指數速率增長，而不是以經典的線性速率增長。糾纏粒子為不可破解的密碼安全通信。這些技術的重要性促使立法通過《國家量子倡議法》(National Quantum Initiative Act)，該法案授權在未來5年內撥款12億美元（約合84億元人民幣）用於發展量子信息科學。

單光子可以作為這些應用的基本量子位源，為了實現實際應用，單個光子應該在電信波長，範圍從1260 - 1675納米，該設備應該在室溫下工作。迄今為止，碳納米管中只有一個螢光量子缺陷同時具有這兩種特性。然而，由於製備方法需要特殊的反應物、難以控制、進展緩慢、產生非發射缺陷或難以規模化，這些單一缺陷的精確製造受到了阻礙。麻省理工學院生物工程系負責人安吉拉·貝爾徹、科赫研究所成員、生物工程系教授詹姆斯·克拉夫茨以及發表在《自然通訊》上博士後林清偉(音譯)的研究：

描述了一種簡單方法來製造基於碳納米管的單光子發射器，這種單光子發射器被稱為螢光量子缺陷。現在可以在一分鐘內快速合成這些螢光量子缺陷，只需使用家用漂白劑和光，可以很容易地大規模生產。貝爾徹實驗室用最少的非螢光缺陷，證明了這一驚人的簡單方法。將碳納米管浸入漂白劑中，然後用紫外線照射不到一分鐘，就產生了螢光量子缺陷。螢光量子缺陷的存在大大降低了將基礎研究轉化為實際應用的障礙，同時，納米管在產生這些螢光缺陷後變得更加明亮。

此外，這些缺陷碳納米管的激發/發射轉移到所謂短波紅外區(900- 1600納米)，這是一個不可見的光學窗口，波長略長於常規的近紅外。更重要的是，在更長的波長和更明亮缺陷發射器的操作，能讓研究人員通過更清晰和深入的組織光學成像。因此，基於缺陷碳納米管的光學探針(通常將目標材料與缺陷碳納米管結合)將大大提高成像性能，使癌症檢測和治療如早期檢測和圖像引導手術成為可能。貝爾徹實驗室的目標是開發一種非常明亮的探針，它能在最佳光學窗口下觀察非常小的腫瘤，主要是卵巢癌和腦癌。

如果醫生能更早發現這種疾病，存活率可以顯著提高。現在，新螢光量子缺陷可以成為升級現有成像系統的合適工具，通過缺陷發射來觀察更小的腫瘤。與上一代成像系統相比，使用的探針數量少了150倍，這表明我們在癌症早期檢測方面又向前邁進了一步。在萊斯大學的合作下，研究人員首次可以利用一種稱為方差光譜的新光譜方法，識別碳納米管中量子缺陷的分布。這種方法有助於研究人員監測含碳納米管量子缺陷的質量，並更容易找到正確的合成參數。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10917-3

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