量子發射器的進展標誌著邁向量子互聯網的進步

量子互聯網的前景令人著迷，這種互聯網將連接量子計算機並能實現高度安全的數據傳輸，但其實現卻面臨巨大挑戰。傳輸量子信息需要使用單個光子，而不是傳統光纖網絡中使用的光源。為了產生和操控單個光子，科學家們正轉向量子光發射器，也稱為顏色中心。這些半導體材料中的原子級缺陷可以發射固定波長或顏色的單光子，並允許光子以受控的方式與電子自旋性質相互作用。

最近，一組研究人員展示了一種利用脈衝離子束創建量子發射器的更有效技術，深化了我們對量子發射器形成過程的理解。該項研究由美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員Thomas Schenkel、Liang Tan和Boubacar Kanté主導，後者同時還是加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學的副教授。該結果發表在《物理評論應用》（Physics Review Applied）期刊上，是該團隊識別最優量子缺陷發射器以處理和傳輸量子信息的一部分努力，並以精確的方式進行生產。

“我們製造的顏色中心是構建量子互聯網的候選者，也是可擴展量子信息處理的關鍵資源，”ATAP部門的高級科學家Schenkel表示。“它們有助於連接量子計算節點，以實現可擴展的量子計算。”

隨著量子技術的發展，這項研究成果有望為未來的量子互聯網鋪平道路，並推動在安全數據傳輸和量子計算方面的創新。量子發射器的進步將成為這一新興領域的重要基石，激發科學家們探索更廣泛的量子應用。

在這項工作中，研究團隊專門針對在硅中製造特定類型的顏色中心，該顏色中心由兩個置換的碳原子和一個稍微錯位的硅原子組成。傳統上，產生這些缺陷的方法是用持續的高能離子束撞擊硅；然而，研究人員發現脈衝離子束顯著更有效，能產生更多期望的顏色中心。

“我們驚訝地發現，這些缺陷可以更容易地通過脈衝離子束生成，”ATAP的博士後學者、該出版物的第一作者Wei Liu表示。“目前，工業和學術界主要使用持續束，但我們已經展示了一種更有效的方法。”

研究人員認為，脈衝束產生的瞬時激發（其中溫度和系統能量迅速變化）是更高效地形成顏色中心的關鍵，他們在之前的研究中也使用來自激光驅動加速器的脈衝離子束發現了這一點，該研究發表在《材料通訊》（Communications Materials）期刊上。

團隊使用高靈敏度的近紅外檢測器在低溫下表徵顏色中心，以探測它們的光學信號。他們發現，用於創造顏色中心的離子束強度會改變它們所發射的光子的光學特性。在國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Perlmutter系統上進行的大規模計算模擬進一步揭示了這一發現，顯示所發射光子的波長對晶格中的應變非常敏感。

這項研究的進展不僅推進了顏色中心的基礎科學理解，還可能為未來在量子技術和高能物理應用中的發展提供新的機會。這些發現有助於製造更高效的量子元件，進而推動量子互聯網和其他高技術應用的實現。

“從第一原理的電子結構計算已成為理解缺陷特性的主要方法，”來自分子工廠的博士後學者及該出版物的共同第一作者Vsevolod Ivanov補充道。“我們已經達到可以預測缺陷在複雜環境中行為的程度。”

研究結果還暗示了量子發射器顏色中心作為輻射傳感器的新應用。

“這為新的研究方向打開了大門，”伯克利實驗室分子工廠的工作科學家Tan說。“我們可以通過撞擊硅與質子來形成這種顏色中心。這可以潛在地用作具有方向性的暗物質或中微子探測器，因為根據輻射來的方向，我們可以看到不同的應變場。”

隨著對量子發射器形成和性質的更深入理解，研究團隊將繼續擴大對顏色中心的探索。正在進行的工作包括生成預測可能存在於硅中的顏色中心數據庫，使用計算機模擬來識別最適合量子計算和網絡應用的顏色中心，並完善製造技術以獲得對單個顏色中心創建的確定性控制。

“我們正在朝著設計驅動的量子位新範式邁進，”Kanté表示。“我們能否可靠地製造一個在通訊帶操作的特定顏色中心，擁有足夠的亮度，並且易於製作，還具備存儲功能等等？我們正在追求這一目標並已取得一些令人振奮的進展。”

“這項研究中發現的新途徑，利用強照射形成顏色中心，展示了在提高量子信息科學技術方面應用高能密度條件和等離子科學的興奮潛力，”ATAP部門主任Cameron Geddes說。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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