推进量子网络:研究实现了迄今为止单个T中心最大的光子发射增强
发布时间：2024-03-29 02:00:12 阅读数： 125
硅光子腔中单T中心的有效光学耦合。来源:《自然通讯》(Nature Communications)， 2024年出版。DOI: 10.1038/s41467-024-46643-8
莱斯大学的工程师们已经展示了一种控制硅材料中被称为T中心的原子缺陷的光学特性的方法，为利用这些点缺陷来构建大规模量子网络的量子节点铺平了道路。电子与计算机工程助理教授陈松涛说:“T中心是硅的规则晶格中的一种原子缺陷。”“T中心最近引起了很多兴趣，因为它们显示出作为量子网络的量子比特构建块的潜力。它们以有利的波长发射单光子，用于电信应用，但它们的光子发射速率较低。"
自发辐射——我们熟悉的萤火虫发光或其他夜光效应背后的现象——描述了一个量子力学系统，如分子、原子或亚原子粒子，通过以光子的形式释放一些能量，过渡到较低能量状态的过程。为了使基于T中心的量子比特可行，提高T中心的自发发射速率是科学家需要克服的障碍之一。
通过在光子集成电路中嵌入T中心，与典型的共聚焦实验相比，T中心单光子发射的收集效率提高了两个数量级。
根据发表在《自然通讯》上的这项研究，研究小组证明，与光子晶体腔的耦合将T中心的光子发射率提高了7倍，利用了一种被称为珀塞尔效应的现象。“我们实验的目标是证明改变硅中单个T中心光学性质的能力，”莱斯大学研究生和研究合著者王玉恩说。“事实证明，光子腔结构确实影响T中心光子发射率。通过测量有和没有空腔相互作用的速率，我们能够测量空腔和T中心之间耦合的强度。"
光子腔结构与T中心之间的耦合越来越强，交换光子能量的速度越来越快，从而缩短了能量在T中心的存储时间。
“这就是通常所说的珀塞尔效应，”莱斯大学研究生、研究报告的合著者亚当·约翰斯顿说。“我们在这里展示的是，我们可以利用珀塞尔效应来实现迄今为止硅中所有色中心中最纯净的单光子发射，以及单个T中心最大的光子发射增强。”
这一发现是推进量子网络的重要一步，量子网络依靠光子的量子特性来编码信息，从而实现更强大的计算能力和更高的安全性。“量子通信的安全性由量子力学的基本原理保证，使窃听者的检测具有很高的概率，从而改善敏感数据的保护，”合著者尤利西斯·菲利克斯-伦登说，他与约翰斯顿和王一起正在攻读应用物理学博士学位，是陈实验室的一部分。Felix-Rendon说:“像谷歌和IBM这样的公司已经证明了量子计算机相对于传统计算机的显著优势。”“然而，世界上许多最先进的量子计算机仅限于通过冷却到低温的电线发送信息，这限制了这些系统的可扩展性。我们希望我们的工作将有助于开发量子网络，以连接远程量子计算机，并突破当前量子技术的障碍。"
