量子计算机是21世纪的未来关键技术之一。帕德博恩大学的研究人员在Thomas Zentgraf教授的带领下，与澳大利亚国立大学和新加坡科技与设计大学的同事合作，开发了一种操纵光的新方法，可用作未来光学量子计算机的基础。该研究成果现已发表在《自然光子学》杂志上。

这种用于操纵光的新光学元件将能应用在更先进的现代信息技术中，特别是在量子计算机中。然而，一个主要的挑战仍然是光通过纳米结构表面的非互易性传播。帕德博恩大学超快纳米光子学工作组负责人Thomas Zentgraf教授解释说：“在互易传播中，光可以通过结构向前和向后走相同的路径。然而，非互易性传播类似于单向传播，它只能向一个方向扩散。”

Zentgraf表示，非互易性是光学中的一种特殊特性，它使光在方向颠倒时会让材料产生不同的特性。现实生活中的一个例子是一扇由玻璃制成的两用窗户，它的一侧是透明的，可以让光线通过，但它在另一侧能充当镜子并反射光线。这被称为二元性。在光子学领域，这种二元性对于开发用于操纵光的创新光学元件是非常有帮助的。

目前，Zentgraf在帕德博恩大学的工作组与澳大利亚国立大学和新加坡科技与设计大学的研究人员进行了合作，将非互易性光传播与激光的频率转换相结合，换句话说，就是能改变频率或者说是改变光的颜色。Zentgraf小组的研究员Sergey Kruk博士解释说：“我们在这种特殊设计的结构中使用了频率转换，规模在几百纳米范围内，能将人眼不可见的红外光转换为可见光。”

实验表明，这种转换过程仅发生在纳米结构表面的一个光照方向上，而在相反的光照方向上则完全被抑制。这种频率转换特性的二元性被用来将图像编码成一个透明的表面。Zentgraf说：“我们以这样一种方式排列各种纳米结构，使它们产生不同的图像，具体图案要取决于样品表面是从正向还是反向照射光。只有当我们使用红外激光照射时，图像才可见。”

在他们的第一个实验中，可见范围内的频率转换成光的强度仍然很小。因此，他们下一步的工作是进一步提高效率，使变频所需的红外光更少。在未来的光集成电路中，频率转换的方向控制可用于直接用不同的光来切换，或能直接在小芯片上产生特定的光子条件以用于量子光学计算。Zentgraf说：“也许我们会在未来的光学量子计算机中看到一种应用，利用频率转换直接产生单个光子将在这种应用中扮演重要的角色。”（编译:Qtech）