纳米颗粒中的单离子： 量子信息处理的新平台

光纤接近镜面形成空腔的特写。资料来源：ICFO/E. 比蒂

量子信息的处理依赖于相互作用的量子比特--量子信息的基本构件--来执行计算任务。科学家们正在寻找最佳的量子比特平台，以便更高效、更准确、更快速地执行操作。

为了实现量子处理系统与量子网络连接的额外目标，最理想的系统是能够在长寿命物质量子比特和光子之间产生纠缠，从而在未来量子互联网的节点之间实现低损耗和快速接口。

量子比特可以用超导电路、被困原子和离子，甚至是固体中的缺陷来制造。量子信息编码在物理系统的自由度中，例如离子的电子状态，如果离子处于基态，则编码为 "0"；如果离子处于激发态，则编码为 "1"。由于是量子系统，量子比特也可以处于这两种状态的任意叠加中。有些量子比特还可以相互影响，例如通过与其状态相关的电场或磁场。

过去几年中，在固态自旋中实现的量子比特引起了广泛关注。这些量子比特被自然地困在固体（如金刚石或硅酸盐晶体）的基体中，如果把它们放在彼此靠近的地方，就可以使它们相互作用，形成所谓的量子比特-量子比特门。许多离子还可以通过发射光子读出，从而产生自旋光子纠缠。

区分集合中的单个离子
然而，这些要求将实验推向了不同的方向。要在固体中找到单个量子比特，需要一个自旋浓度较低的矩阵，以确保它们在光谱上都是分离的，然后才能单独进行处理。同时，这种低密度会增加自旋之间的平均距离，导致离子之间的相互作用降低，而这正是量子比特-量子比特门的必要工具。

近年来，研究人员发现，掺稀土离子的晶体为光-物质相互作用提供了一个强大的系统和可靠的平台。离子被困在固态基质中，具有较长的相干时间和不同的基态，可以对其进行量子比特编码。

此外，相邻的离子通过偶极-偶极相互作用相互影响。如果能够观察和分析晶体的一个小区域，小到足以包含适合单离子探测的原子数量，同时又不影响密度，那么就能满足所有必要条件。

在发表于《光学》（Optica）的一项研究中，ICFO研究人员切坦-德什穆克（Chetan Deshmukh）、爱德华多-比蒂（Eduardo Beattie）、贝尔纳多-卡萨博内（Bernardo Casabone）和萨姆埃莱-格兰迪（Samuele Grandi）在ICFO的ICREA教授雨果-德-里德马滕（Hugues de Riedmatten）的领导下，与巴黎化学研究所的研究人员戴安娜-塞拉诺（Diana Serrano）、阿尔班-费里耶（Alban Ferrier）和菲利普-戈德纳（Philippe Goldner）以及卡尔斯鲁厄技术研究所的戴维-亨格（David Hunger）合作，提出了实现这一目标的巧妙方法。

他们首次展示了如何在一个与光纤微腔耦合的纳米粒子内的原子集合体中处理和检测单个稀土离子，从而实现高效的光-物质相互作用。在他们的实验中，所使用的离子是在电信波长下发射单光子的铒离子，其体积比以前实现的要小两个数量级。
 

用于在镜子表面三维移动光纤的自制纳米定位器。资料来源：ICFO/E. 贝蒂

不要太远，也不要太近
当您尝试激发过密的离子群时，某个离子的激发频率会与其他离子的激发频率非常接近，以至于它们的光谱会重叠。在这种情况下，激发一个离子必然会同时激发其他离子。这就阻碍了对单个离子进行处理的可能性。

然而，在纳米粒子中，由于体积大大缩小，离子的密度可以保持很高，因此离子的总数也受到了限制。虽然离子之间的平均物理距离仍然很低，但它们之间的频率差异却很高，足以使它们完全区分开来。这样，就可以在纳米粒子内发现一个完整的相互作用离子群，它可以成为一个小型量子信息处理系统。

现在，在他们的实验中，研究小组首先培育出平均直径为 150 纳米的掺有铒离子的纳米粒子，每个纳米粒子含有大约 1000 个铒离子。然后，他们将纳米粒子放在一面镜子上，并将其冷却到 ~6 K。

镜子是光腔的一部分，另一部分是在光纤上制作的曲面镜。镜子和光纤都可以在三维空间内移动，从而可以选择散布在大范围内的任意纳米粒子。当光纤对准纳米粒子时，就会形成一个空腔。

用波长为 1535 纳米的激光激发铒离子，并通过光纤空腔收集铒离子的发射。空腔增强了光与物质之间的相互作用，从而通过珀塞尔效应加快了离子的发射速度，并提高了收集效率。作者测量到离子的发射增加了一百多个，其中 99% 以上是在空腔模式下发射的。

通过观察离子群的荧光信号，他们能够在纳米粒子中看到不同的明亮而狭窄的发射峰。他们将注意力集中在其中一个峰上，以确定这是否真的是一个单一的发射器。

他们发现的第一个迹象是，随着激发功率的增加，探测到光子的概率达到饱和。这是因为离子必须处于激发态才能衰变并发射光子。然而，离子并不会立即衰变，而是要经过一段特定的时间，也就是它的寿命。这就限制了离子被激发的次数，从而限制了其发射的概率。

考虑到这一点，作者能够探测到这种效应并对其进行测量，但他们看到，在每个空腔寿命内，空腔中只有 ~10-2 个光子能够使离子达到饱和，这证明了光与物质之间存在着强烈的相互作用。不过，单个离子最明显的标志是它一次只能发出一个光子。

要测试这一特性，可以将离子的发射平均分配给两个探测器，并检查在任何给定时间内只有一个探测器会发出 "咔嗒 "声，因为单个光子流不可能同时被探测到。作者也证实了这一特性，最终确凿地证明他们确实检测到了单个离子的发射。

这项研究成果的共同第一作者、ICFO 研究员爱德华多-比蒂（Eduardo Beattie）说："这项研究成果 "有可能为在纳米级体积内使用数百个量子比特实现量子处理器提供一种新方法，这些量子比特可以单独检测和操纵，并有效地与单光子耦合，从而实现量子网络"。

ICFO 的 ICREA 教授 Hugues de Riedmatten 总结说："纳米粒子中的单个稀土离子提供了多方面的可能性：铒离子可以提供连接量子处理器的通信量子比特，而其他种类的离子可以提供处理量子比特。此外，我们开发的全光纤集成系统是实现未来量子硬件的重要一步。

参考资料

Chetan Deshmukh et al, Detection of single ions in a nanoparticle coupled to a fiber cavity, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.491692