文/Sally Cole Johnson

2024 年 6 月 7 日，聯(lián)合國大會正式宣布 2025 年為量子科學與技術國際年。這一宣布暗示著量子技術將迎來眾多新的發(fā)展機遇。在Laser Focus World雜志（LFW）最近針對量子技術的一次采訪中，勞倫斯伯克利國家實驗室的博士后學者Kaushalya Jhuria女士，分享了她的團隊演示的一種在硅中形成電信波段光學量子位的方法。這種方法建立在現有的硅基計算基礎設施之上，能實現未來可擴展的量子計算機。

圖1：伯克利實驗室加速器技術與應用物理部的博士后學者Kaushalya Jhuria女士，正在測試用于在硅中制造量子位的實驗裝置中的電子器件。

LFW：是什么激發(fā)了您和團隊從事量子位/量子網絡方面的工作？

Jhuria：我們的靈感來自于量子計算機的變革潛力。量子計算機能夠以遠遠超過當前超級計算機的速度，解決人類健康、藥物發(fā)現和人工智能等領域的復雜問題。創(chuàng)建一個可以超越當前光纖技術的、安全高效的量子互聯(lián)網的想法，也推動了我們的工作。

LFW：您的團隊是用什么方法實現量子位的？

Jhuria：我們使用了一臺飛秒激光器，它發(fā)出僅持續(xù)千萬億分之一秒的極短能量脈沖。這種激光使我們能夠精確地瞄準硅中摻雜了氫和碳的特定區(qū)域，以創(chuàng)建量子位。這些量子位被稱為量子發(fā)射器、色心或自旋光子量子位，可以長距離傳輸信息，非常適合構建可擴展和安全的量子網絡。

LFW：請介紹一下這項研究中所采用的激光裝置。

Jhuria：我們的激光裝置具有超快飛秒激光系統(tǒng)，其可以向硅中的微觀目標提供精確控制的能量脈沖。該裝置包括調節(jié)激光強度和定位的機制，以確保精確的量子位形成。我們還使用一個近紅外探測器（具有單光子級靈敏度，可進行高精度測量）來分析量子位的光致發(fā)光信號，這有助于我們理解和優(yōu)化它們的特性。

圖2：使用超快激光脈沖（飛秒或千萬億分之一秒）在硅中的特定位置創(chuàng)建高質量的色心（量子位）。右上角的插圖顯示了實驗觀察到的來自量子位的光信號（光致發(fā)光），其結構顯示在底部。（圖片來源：Kaushalya Jhuria/伯克利實驗室）

LFW：這項技術的最大特點是什么？

Jhuria：這項研究最大的特色是，我們的方法能夠在硅中實現可編程和精確的量子位創(chuàng)建和湮滅，這對于開發(fā)可擴展的量子計算機和網絡至關重要。這項技術建立在現有的硅基技術的基礎上，使其適合大規(guī)模生產。

它的主要好處是有可能創(chuàng)建可靠且相互連接的量子系統(tǒng)，能夠處理經典計算機無法處理的復雜計算。

LFW：請分享一下項目研究中令人感到欣喜的高光時刻。

Jhuria：最激動人心的時刻之一是重新發(fā)現了所謂的Ci中心，這是一種具有自旋光子量子位前景的量子發(fā)射器。我們從早期文獻中就知道了Ci中心，但用我們的方法成功地創(chuàng)造它還是挺出人意料的。當使用廣泛適用的離子注入方法，然后在惰性氣體氛圍下進行快速熱退火時，硅中常見的量子發(fā)射體，如G中心，很容易形成。

在我們的方法中，我們首先用形成氣體代替惰性氣體的退火氛圍，以在硅晶格中引入額外的氫。通過這樣做，通常存在的和占主導地位的G中心被鈍化，同時形成更有前景的Ci中心。在這里，氫的加入使Ci中心的亮度提高了幾個數量級——這是我們在實驗和對中心結構的理論分析中發(fā)現的一個意想不到的效果。這一突破是一個激動人心的重要時刻，它驗證了我們的方法，并為特定應用量身定制色心開辟了新的可能性。

另一個激動人心的時刻是，我們可以在單個量子發(fā)射器級別用飛秒激光脈沖精確編程這些量子位的寫入和擦除。

看到我們的理論工作在實驗室中變?yōu)楝F實，也讓我們倍感驚喜。

LFW：這項工作都克服了哪些挑戰(zhàn)？

Jhuria：我們的主要挑戰(zhàn)包括提高量子位形成的精度和效率，并確保其在熱循環(huán)和室溫下的穩(wěn)定性。其他挑戰(zhàn)包括將這些量子位集成到復雜的量子設備中，并實現不同量子位之間可靠的相互作用，這對量子糾纏至關重要。

LFW：這項技術的潛在應用有哪些？

Jhuria：我們的工作有很多潛在的應用。構建具有數千個連接的量子位的量子計算機，是一項巨大挑戰(zhàn)，擴展量子信息處理能力將需要高效的量子互連。

我們的技術可用于解決這些挑戰(zhàn)，并推動量子網絡和量子互聯(lián)網的發(fā)展。這將對安全通信、數據加密和以前所未有的速度處理大型數據集，產生重大影響。金融、醫(yī)療保健和人工智能等行業(yè)，可以從這些進步中受益匪淺。

LFW：您和團隊接下來的工作計劃是什么？

Jhuria：下一步，我們會將這些光學量子位集成到實際的量子器件中，如光腔和波導，以研究它們的相互作用并優(yōu)化它們在各種應用中的性能。我們還致力于發(fā)現其他新的自旋光子量子位，其特性會針對特定的量子計算和網絡任務量身定制。

最終，我們將努力開發(fā)一個功能齊全、可擴展的量子網絡，連接本地量子信息處理節(jié)點。