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铒原子首次集成到硅晶体内,有望成为未来量子网络的理想元件

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最新实验的艺术图,其中铒原子被集成到硅芯片内。图片来源:马克斯·普朗克量子光学研究所

科技日报记者 刘霞

德国科学家首次将拥有特殊光学特性的铒原子集成到硅晶体内,这些原子可通过通信领域常用的光连接起来,使其成为未来量子网络的理想构建块。最新实验结果在没有复杂冷却的条件下获得,且基于现有硅半导体生产工艺,因此适用于构建大型量子网络。相关研究刊发于最新一期《物理评论X》杂志。

量子网络可通过使用光让量子信息的各个载体——量子比特相互纠缠来实现,而量子比特可由相互隔离并嵌入主晶体中内的单个原子构建。在最新研究中,来自马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑技术大学的科学家展示了一种利用嵌入硅晶体内的原子构建量子网络的可行方法。

最新技术依赖于在特定条件下注入硅晶格的铒原子。研究表明,铒具有良好的光学性能,其原子发射出的红外光波长约为1550纳米,位于光纤电缆中传输数据的光谱范围,且铒在光导纤维中传播时损耗较低。此外,铒发出的光具有极好的相干性,这是实现量子信息存储和传输的先决条件。这些特性使铒成为实现量子计算机或在量子网络中用作信息载体的首选。

但面临的巨大挑战是必须以可重复的方式将铒的各个原子嵌入硅晶体基质内,并将其固定在特定位置。为此,研究人员首先赋予铒原子纳米级精细结构,然后用铒离子束照射硅,使单个原子在高温下穿透并分散到硅晶体内不同地方。

相对温和的温度使各个铒原子在晶格中稳定地“各就各位”,而非聚集在一起。而且,在此前实验中,铒原子在绝对零度(零下273.15摄氏度)附近表现出优异光学特性,但最新研究中,科学家在约8开尔文(零下265.15摄氏度)观察到了这些特性,这样的温度在技术上很容易实现,也为未来的应用铺平了道路。