通往量子网络的道路： 铒掺杂物受刺激发射单光子

纳米光子硅芯片中的单一掺杂物被用来产生与现有光纤基础设施兼容的波长的光子。信用: C. Hohmann, MCQST

加兴MPQ的研究人员与慕尼黑大学的一个团队一起，激发了嵌入晶体硅中的铒原子，使其发射出单光子。它们的特殊性质可以构成开发扩展网络的基础，将量子系统相互连接，一直到未来的量子互联网。

这将允许信息通过光纤网络进行交换，并具有可证明的隐私和安全性。研究人员使用的新型系统在网络节点的生产、其冷却和数据传输范围方面具有关键优势。

对量子物理现象的控制使用，如几个粒子的纠缠，可以实现全新的技术应用--例如，建造高度敏感的量子传感器和快速量子计算机。有了这些，某些传统计算机器无法解决的任务就可以在短时间内完成了。

这些和其他的量子技术可以在未来的量子网络中非常有效地运行。马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）和位于加兴的慕尼黑工业大学（TUM）的一个研究小组现在已经展示了一个实现这些技术的有希望的平台。该研究发表在《Optica》杂志上。

"所有的量子技术都基于所谓的量子比特，即量子信息的基本载体，"团队负责人Andreas Reiserer教授博士解释说。如果它们通过光相互连接，就可以创建一个量子网络，类似于今天在 "经典 "互联网中的做法。这些量子比特可以是相互隔离的单个原子，并嵌入固体主材料中。

正如Reiserer和他的团队最近所展示的那样，这对硅晶体中的铒原子来说效果特别好。现在，研究人员又向前迈出了重要的一步：他们以这样一种方式激发单个铒原子，使它们随后发射出单个光子--其特性是构建量子网络的理想条件。

电信的理想条件
为此，Reiserer的研究小组在硅晶格的特定位置植入了--技术术语：掺杂--稀土金属的原子。"物理学家解释说："这使铒原子具有出色的光学特性：它们发出波长为1,536纳米的光。这几乎与经典电信的光纤网络中用于数据传输的光波长相同--因为它的特点是损耗相对较低。"Reiserer补充说："这使得量子信息可以进行长距离传输。

"然而，为了在技术上利用铒的这些基本特性，人们必须刺激原子以可控的方式发射单个光粒子，"安德烈亚斯-赖泽尔团队在MPQ的博士研究员Andreas Gritsch说。"通过这种方式，可以创建一个发送或接收量子信息的界面。

现在，加兴和慕尼黑的研究人员已经成功地做到了这一点。他们使用了一个光学谐振器--一种可以反射光线从而放大光线的装置--来实现这一目的。"Gritsch报告说："我们第一次制作了一个由硅掺入铒制成的谐振器。

硅片上的纳米光子谐振器。资料来源：MPQ

一个纳米格式的光放大器
然而，这个谐振器并不像大多数光学谐振器那样由镜子组成，而是由晶体硅的一种特殊结构组成：材料中规则排列的孔只有几纳米（百万分之一毫米）小。整个装置的尺寸只有几微米，只包含几十个铒原子。研究人员将其与一根光纤耦合，使激光进入所谓的纳米光子共振器以激发原子。"安德烈亚斯-格里奇解释说："通过这种方式，我们能够完成具有理想特性的单个光子的发射。

这位物理学家和他的团队因此创造了一种可能性，可以专门生成用于传输量子信息的量子比特。"Reiserer说："这在晶体硅中是可能的，这为实现量子网络提供了额外的机会，因为这种材料几十年来一直用于生产经典的半导体元件，例如计算机、智能手机或导航设备的微芯片。"

所需的制造技术和工艺在技术上是成熟的，并且在半导体行业中已经确立。"Reiserer强调说："这意味着对于量子技术的应用，如量子网络的构建，硅晶体也能以高质量和高纯度生产出来，而且价格相当便宜。

MPQ和TUM的科学家们开发的系统还有另一个优势：由于采用了一种特殊的制备方法，嵌入硅中的铒原子的优良光学特性不仅在零下273°C的绝对零度下出现，而且在比这一温度标志高8度的情况下也出现。"而这几度在实践中有很大的不同，"Reiserer解释说。"因为这样的温度在技术上很容易通过用液氦在低温箱中冷却来实现。" 这有助于为技术应用铺平道路。

金融机构、医疗机构或政府机构可能对处理敏感的个人数据或机密信息有很大兴趣。虽然今天即使是最好的加密也不能保证完全的安全，但量子网络将提供完美的数据保护。只要窃听者试图拦截由准备好的光子传输的信息，它们的量子特性就会丧失，数据就会变得无法使用。

参考资料

Andreas Gritsch et al, Purcell enhancement of single-photon emitters in silicon, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.486167