量子计算机是21世纪未来的关键技术之一。帕德伯恩大学（Paderborn University）的研究人员在Thomas Zentgraf教授的带领下，与澳大利亚国立大学（Australian National University）和新加坡科技与设计大学（Singapore University of Technology and Design）的同事合作，开发了一种操纵光的新技术，可作为未来光学量子计算机的基础。研究结果现已发表在《自然光子学》杂志上。
用于操纵光的新光学元件将允许在现代信息技术中，特别是在量子计算机中实现更高级的应用。然而，仍然存在的一个主要挑战是通过纳米结构表面的非互易光传播，这些表面已经在很小的范围内进行了操纵。帕德伯恩大学超快纳米光子学工作组负责人托马斯·曾特格拉夫教授解释说：“在相互传播中，光可以通过结构向前和向后走相同的路径；然而，非相互传播类似于单向街道，它只能向一个方向传播。”非互易性是光学中的一个特殊特性，它使光在方向相反时产生不同的材料特性。一个例子是一扇玻璃窗，它的一面是透明的，可以让光线通过，但另一面起到镜子的作用，可以反射光线，这就是所谓的二元性。曾特格拉夫说：“在光子学领域，这种二元性可以非常有助于开发用于操纵光的创新光学元件。”
在帕德伯恩大学的工作组与澳大利亚国立大学和新加坡技术与设计大学的研究人员目前的合作中，非互易光传播与激光的频率转换相结合，换言之，是频率的变化，因此也是光的颜色的变化。曾格拉夫研究小组研究员解释说：“我们在专门设计的结构中使用了频率转换，尺寸在几百纳米范围内，将人眼看不见的红外光转换为可见光。”
实验表明，对于纳米结构表面，这种转换过程只在一个照明方向上发生，而在相反的照明方向上完全被抑制。这种频率转换特性的双重性被用来将图像编码到一个透明的表面。曾特格拉夫说：“我们对各种纳米结构进行了排列，使它们产生不同的图像，这取决于样品表面是从正面还是从背面照明，”他补充道，“只有当我们使用红外激光照明时，图像才可见。”
在他们的第一次实验中，可见光范围内的频率转换光的强度仍然很小。因此，下一步是进一步提高效率，以减少频率转换所需的红外光。在未来的光学集成电路中，频率转换的方向控制可用于直接用不同的光切换光，或直接在小芯片上为量子光学计算产生特定的光子条件。曾特格拉夫说：“也许我们将在未来的光学量子计算机中看到一个应用，其中利用频率转换定向产生单个光子起着重要作用。”
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