德國科學(xué)家首次將擁有特殊光學(xué)特性的鉺原子集成到硅晶體內(nèi)，這些原子可通過通信領(lǐng)域常用的光連接起來，使其成為未來量子網(wǎng)絡(luò)的理想構(gòu)建塊。最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果在沒有復(fù)雜冷卻的條件下獲得，且基于現(xiàn)有硅半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，因此適用于構(gòu)建大型量子網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究刊發(fā)于最新一期《物理評論X》雜志。

量子網(wǎng)絡(luò)可通過使用光讓量子信息的各個載體——量子比特相互糾纏來實(shí)現(xiàn)，而量子比特可由相互隔離并嵌入主晶體中內(nèi)的單個原子構(gòu)建。在最新研究中，來自馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所和慕尼黑技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家展示了一種利用嵌入硅晶體內(nèi)的原子構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的可行方法。

最新實(shí)驗(yàn)的藝術(shù)圖，其中鉺原子被集成到硅芯片內(nèi)。

最新技術(shù)依賴于在特定條件下注入硅晶格的鉺原子。研究表明，鉺具有良好的光學(xué)性能，其原子發(fā)射出的紅外光波長約為1550納米，位于光纖電纜中傳輸數(shù)據(jù)的光譜范圍，且鉺在光導(dǎo)纖維中傳播時損耗較低。此外，鉺發(fā)出的光具有極好的相干性，這是實(shí)現(xiàn)量子信息存儲和傳輸?shù)南葲Q條件。這些特性使鉺成為實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)或在量子網(wǎng)絡(luò)中用作信息載體的首選。

但面臨的巨大挑戰(zhàn)是必須以可重復(fù)的方式將鉺的各個原子嵌入硅晶體基質(zhì)內(nèi)，并將其固定在特定位置。為此，研究人員首先賦予鉺原子納米級精細(xì)結(jié)構(gòu)，然后用鉺離子束照射硅，使單個原子在高溫下穿透并分散到硅晶體內(nèi)不同地方。

相對溫和的溫度使各個鉺原子在晶格中穩(wěn)定地“各就各位”，而非聚集在一起。而且，在此前實(shí)驗(yàn)中，鉺原子在絕對零度（零下273.15攝氏度）附近表現(xiàn)出優(yōu)異光學(xué)特性，但最新研究中，科學(xué)家在約8開爾文（零下265.15攝氏度）觀察到了這些特性，這樣的溫度在技術(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)，也為未來的應(yīng)用鋪平了道路。