霸气，这篇Nature标题就两个字！光子晶体，让量子计算机更近一步！

小纳米

2020-09-26

1987年，物理学家Eli Yablonovitch预测，光子晶体材料（PBC）能够通过当前微电路处理电信号的方式来处理光，也就是说，让光可以像电子在半导体中作用的方式一样得到操控！

图丨Eli Yablonovitch

自此以后的30余年，科学家通过直接微加工方式成功制造了各种一维和二维光子晶体材料，但三维光子晶体块状材料及其潜在应用（譬如下一代计算技术）却始终停滞不前。

从基础物理说起

我们首先简要了解一下光子晶体和半导体材料的物理原理。假设，你要穿越一块沟壑区域，如果你的步伐大小与沟壑之间的间距大小差不多，那么，你可以以两种速度奔跑：

1）快速。沿着沟壑顶部跳过；

2）慢速。从泥泞的低谷中，慢慢前行。

与之同理，当波穿过具有交替的周期性 “沟壑”介质时，它也可以以两种方式传播：波峰位于峰顶上，或者波峰落在这些峰之间。两种传播模式，通常对应两种不同的能量。

在3D晶体中，沟槽的间距和间隙能量取决于波相对于晶格轴的运动方向。但是，对于某些种类的晶体，可能存在一定范围的波能（称为带隙），波的能量根本无法在任何方向上传播。

在硅晶体半导体中，波是电子，并且带隙意味着某些能量的电子并不存在，从而使晶体管之类的现代电子器件成为可能。Yablonovitch认为，从理论上讲，对于光波，可能会发生类似的带隙现象，但仅适用于某些透明材料制成的微观颗粒形成的具有钻石晶格的晶体结构。

胶体晶体

有趣的是，微小的颗粒往往会自发地排列成类似有序的结构，称为胶体晶体。蛋白石是自然形成的二氧化硅微粒的胶化胶体晶体，而蛋白石的火花就是由于上述的能隙引起的。

当光照射在蛋白石上时，能量（与颜色相关）处于能隙范围内的光子无法进入晶体，导致近100％的反射。带隙能量以及反射的颜色取决于入射光的方向，最终使蛋白石具有独特的光学特性。

图丨蛋白石

1990年以来，科学家都很乐观地认为，生产出类钻石的胶体晶体可以有非常简单的方法，但是二十年过去了，这个简单的方法才慢慢揭开序幕。

在钻石晶格中，每个粒子都与周围4个等间距的粒子相连接。当两个这样的聚合粒子聚在一起时，必须旋转它们，使它们结合的其他六个粒子处于正确的相对方向，才能最终得到胶体晶体。

新策略

2012年，纽约大学David J. Pine和Marcus Weck等人就曾通过打补丁的方法，在Nature报道了微颗粒的精准自组装。他们模仿原子构建分子的方式，在颗粒表面上对称排列了具有“粘性”的DNA补丁，补丁迫使粒子仅沿着某些矢量相互作用，最终得到想要的得到的模型。

图丨DNA补丁辅助自组装，来源Nature

时隔8年之后，2020年9月24日，纽约大学David J. Pine课题组再次在自组装领域取得新突破，他和Stefano Sacanna等人一起，在Nature报道了一种新型光子晶体，透明微颗粒以类似于金刚石晶体中碳原子的方式排列。

每个构造单元由四个合并的球组成，呈三角形的金字塔形，每个金字塔面的中心都有一个凹进的粘性补丁。当悬浮在水滴中时，通过其粘性贴片对接在一起的颗粒将被迫进入所需的角度位置。最终，这些粒子自发地组装成金刚石结构的高度有序的，稳定的光子晶体。

当前，研究团队已经能制造出包含约100000个颗粒，重量不到1μg的光子晶体，而且，进一步的拓展这个组装过程也相对较为简单。通过使用纯硅或二氧化钛（分别用于红外或可见光）来填充这些晶体中的空白区域，然后溶解这些结构单元，以实现块体的3D结构光子晶体材料的构建。

量子计算机

那么，有人就要问了，光子晶体到底有什么用？

答案是，量子计算机。

在光子晶体的诸多应用中，当前最吸引人的莫过于量子计算机。传统计算机中存储“ 0”或“ 1”的数字位被量子位（qubit）所取代，因为量子位可以同时为“ 0”和“ 1”。这种取代使人们可以更快地计算出代码破解中可能遇到的许多困难。

然而，建立实用的量子计算机的挑战在于，需要使用光子信号将许多量子位连接在一起，并隔离这些量子位，以使它们不会受到外界干扰的干扰。

光子晶体微电路中，光子周围的通道为这些问题提供了解决方案，二维光子晶体已被证实可用于构建原型量子器件。但是，由于当前的量子光子电路是薄的2D薄层，导致它们的性能受到限制：光子会泄漏，干扰也会泄漏。解决这个问题的简单方法是将这些电路夹在两个3D光子晶体层之间。

未来可期

未来，大容量光子晶体将可用于生产大型量子系统，使用光进行受控控制，并与常规电子设备进行连接，以实现更多新技术和新应用。

至于这种技术的最终潜力，或许正应了那句话：没有做不到，只有想不到！

参考文献：

1. Mingxin He et al. Colloidal diamond. Nature2002, 585, 524–529.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2718-6

2. John C. Crocker. Elusive photonic crystals come a step closer. Nature 2002, 585, 506-507.

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02656-z