Credit: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

为了寻求实现量子网络的新技术，哈佛大学的研究人员开发了一种基于激光的新型策略，用于创建单原子、近表面材料缺陷，可用于形成量子计算的***基本单元的量子位。 该团队还发现了一种实时方法，用于测量和表征纳米级空腔内光学发射器的形成。

Evelyn Hu 和她在哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的团队在《Nature Materials》杂志上报道了这一进展，可以更好地控制量子比特输出的时间和强度。

“这些本质上是‘有缺陷的’材料；在原本***的晶体结构中缺少原子或空位，”该论文的***作者、应用物理学和电气工程教授Hu说， “一个空位有它自己的电子态，它有一定的自旋，它有可能发射特定波长的光子。”

这些缺陷和它们发出的光的波长有时被称为色心，因为它们可以赋予钻石和其他晶体美丽的颜色。 但是在折射、控制或操纵光的光子材料的纳米级腔内，这些缺陷可以像信息的光学发射器一样发挥作用。

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该论文的共同***作者Aaron Day表示：“我们的团队对这些缺陷的形成以及它们如何在量子网络中表现为量子位非常感兴趣。通过纠缠将缺陷阵列耦合到纳米光子腔中，可以传输量子信息。”

然而直到现在，还没有办法在不破坏材料晶体结构的其余部分的情况下完全控制纳米级空腔中光发射器的确切位置。

通常，在像这样的空腔内创建发射器的过程——比人类头发的宽度小 100 倍——需要使用离子或带隙以下激光器破坏材料的晶体结构。 （带隙是指激发材料的电子以便它们可以自由传导电流所需的***小能量。）但是大多数实验室都没有离子注入设备。 Hu说，这两种传统技术都是对动能的“蛮力”使用，效率低下且难以控制——更像是喷砂而不是小心钻孔。

“为了做我们想做的事，我们知道我们需要开发一些极其精确的仪器，”Hu说。

该团队将他们的解决方案比作手写笔和模板，使用激光（手写笔进行书写）和空腔（用于书写的模板）来形成和表征空位形成。 “我们想使用带隙以上的光脉冲来做到这一点”——比带隙以下的激光器包含更多的光子能量——“以更有效地将能量从激光‘笔’转移到材料‘模板’，”Day 说。

首先，Day 和 Dietz 在无尘室中用商业级碳化硅制造了纳米光子腔器件，这是一项耗时费力的工作。 然后他们进行了实验，试图在空腔内他们想要的位置精确地制造光学发射器。

“起初，我们的激光脉冲炸毁了我们的空腔——基本上是将它们炸开，”Day 说，结果远非理想。 “我们需要大幅降低激光的能量。”

通过反复试验，他们确定了需要多少能量以及需要多少能量来创建所需的发射器，同时保留空腔的其余部分而不会导致“爆炸”。 他们还在他们的系统中内置了一个额外的“读出”激光器，使他们能够评估共振或光子信号，该共振或光子信号在缺陷形成激光器发出脉冲之前和之后由空腔发出。

“我们发现的***酷的事情之一是我们可以监控空腔，发出一个激光脉冲来创建光发射器，然后读取空腔的即时变化，”Day 说。

“我们工作***令人兴奋的潜力在于创造可扩展数量的量子位。实时创建和评估发射器的方法可以更容易地选择具有正确属性的空腔并将其可靠地转化为量子信息的宿主， “ Dietz说。

此外，Hu的团队表示，他们的方法可广泛用于解决一系列基本问题。

“当我们在空腔内形成缺陷时，我们可以使用这些空腔立即告诉我们有关局部材料环境的信息——将其用作‘纳米显微镜’来探测原子缺陷的特征，”Day 补充道。 “将这种新的激光笔与使用腔共振的模板相结合，为我们提供实时反馈，使我们能够无缝地编写和改进设备。这两种工具加在一起，比单独使用它们中的任何一种都更强大。”

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