新型量子光发射器，为量子互联网铺平了道路

光子盒研究院

量子互联网连接着量子计算机，能够高度安全地传输数据，其前景十分诱人；但要实现这一目标却面临着巨大的挑战。事实上，传输量子信息需要使用单个光子，而不是传统光纤网络中使用的光源。
为了产生和操纵单个光子，科学家们正在转向量子光发射器(quantum light emitters)，也称为色心。这些半导体材料中的原子级缺陷可以发射固定波长或颜色的单光子，并允许光子以可控方式与电子自旋特性相互作用。
最近，劳伦斯伯克利国家实验室的研究小组展示了一种利用脉冲离子束制造量子发射器的更有效技术，加深了我们对量子发射器形成过程的了解。这项工作由能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员Thomas Schenkel、Liang Tan和Boubacar Kanté领导，后者同时也是加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学的副教授。

成果发表在《物理应用评论》（Physical Review Applied）上。


伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的资深科学家Schenkel解释说：“我们正在制造的色心有望成为量子互联网的主干网和可扩展量子信息处理的关键资源。它们可以支持连接量子计算节点、实现可扩展的量子计算。”
在这项工作中，研究小组的目标是在硅中制造一种特定类型的色心，这种色心由两个置换碳原子和一个轻微移位的硅原子组成。产生这些缺陷的传统方法是用连续的高能离子束撞击硅；但研究人员发现，脉冲离子束的效率明显更高，能产生更多所需的色心。

左图：硅（灰色）中量子发光缺陷的原子结构模型，由两个置换碳原子（黑色）和一个硅间隙原子（粉红色）组成。量子发光体的尺寸约为 1 纳米（十亿分之一米）。右图：量子发射器的光谱显示，与传统的长时间低通量质子照射法（蓝色）相比，硅晶体在强脉冲（黑色）的高通量质子照射下发出的光更强。

“我们惊讶地发现，脉冲离子束更容易产生这些缺陷，目前，工业界和学术界主要使用连续离子束，但我们已经展示了一种更有效的方法。”ATAP博士后、该论文第一作者Wei Liu说。
研究人员认为，脉冲光束产生的瞬态激发（温度和系统能量迅速变化）是更高效地形成色心的关键，他们通过早些时候发表在《通讯材料》（Communications Materials）上的一项使用激光驱动加速器脉冲离子束的研究确立了这一点。

(a) ZPL 转变能的移动与 GCB 和扰动缺陷之间距离的关系，其中缺陷为空位（蓝色圆圈）或硅自间隙（红色十字）。(b)、(c) (a)中绿色方框标记区域内(b)空位和(c)自间隙导致的 ZPL 转变直方图。
研究小组利用高灵敏度的近红外探测器探测色心的光学信号，从而确定了色心在低温下的特征。他们发现，用于产生色心的离子束强度改变了它们所发射光子的光学特性。
在美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的珀尔马特系统上进行的大规模计算机模拟进一步揭示了这一发现，发现发射光子的波长对晶格中的应变很敏感。
“第一原理电子结构计算已成为了解缺陷特性的首选方法，我们已经达到了可以预测缺陷行为的程度，即使是在复杂的环境中。”该论文共同第一作者 Vsevolod Ivanov 补充说道。
这些发现还提出了量子发射器色心作为辐射传感器的新应用。
伯克利实验室分子铸造厂的科学家Tan说：“这开辟了新的方向：我们只需用质子撞击硅就能形成这种色心。我们有可能将其用作具有方向性的暗物质或中微子探测器，因为我们可以根据辐射的方向看到这些不同的应变场。”
随着对量子发射器的形成和特性有了更深入的了解，研究小组继续扩大对色心的探索。正在进行的工作包括生成硅中预测存在的颜色中心数据库、利用计算机模拟确定最适合量子计算和网络应用的色心，以及改进制造技术以获得对创建单个色心的确定性控制。
甚至，研究团队表示：“我们正在努力实现一种新的量子比特设计模式。我们能否可靠地制造出在电信频段工作、具有足够亮度、不太难制造、具有内存等特性的特定色心？我们正在进行这方面的探索，并取得了一些令人振奋的进展。”

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