该器件使用一个简单的电二极管来操纵商业硅晶圆内部的量子比特。图片来源：Second Bay Studios/Harvard SEAS

如果我们能够使用现有的电信技术和基础设施，量子互联网的构建将容易得多。在过去的几年里，研究人员发现了硅（一种无处不在的半导体材料）的缺陷，这些缺陷可用于在广泛使用的电信波长上发送和存储量子信息。硅中的这些缺陷能否成为所有有前途的候选者中的最佳选择，以托管量子通信的量子比特？

“那里仍然是一个狂野的西部，”哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）应用物理学和电气工程的Tarr-Coyne教授Evelyn 胡说。

“尽管新的候选缺陷是一个很有前途的量子存储平台，但对于为什么使用某些配方来创建它们，以及如何快速表征它们及其相互作用，即使是在集成中，通常几乎一无所知。

“最终，我们如何微调它们的行为，使它们表现出相同的特征？如果我们要从这个充满可能性的广阔世界中创造一种技术，我们必须有办法更好、更快、更有效地描述它们。

现在，胡和一组研究人员开发了一个平台来探测、交互和控制这些潜在的强大量子系统。该器件使用一个简单的电子二极管（半导体芯片中最常见的组件之一）来操纵商业硅晶圆内部的量子比特。

使用这种设备，研究人员能够探索缺陷如何响应电场的变化，调整其在电信频段内的波长，甚至打开和关闭它。

“在硅中拥有这些缺陷最令人兴奋的事情之一是，你可以在这种熟悉的材料中使用二极管等广为人知的器件来理解一个全新的量子系统，并用它做一些新的事情，”SEAS的博士候选人Aaron Day说。戴与哈佛大学研究员麦迪逊·苏图拉（Madison Sutula）共同领导了这项工作。

虽然研究小组使用这种方法来表征硅中的缺陷，但它可以用作其他材料系统缺陷的诊断和控制工具。

该研究发表在《自然通讯》上。

量子缺陷，也称为颜色中心或量子发射器，是可以捕获单个电子的完美晶格中的缺陷。当这些电子被激光击中时，它们会发射特定波长的光子。

研究人员对量子通信最感兴趣的硅缺陷被称为G中心和T中心。当这些缺陷捕获电子时，电子会以称为 O 波段的波长发射光子，该波段广泛用于电信。

在这项研究中，该团队专注于G中心缺陷。他们需要弄清楚的第一件事是如何制作它们。与其他类型的缺陷不同，在缺陷中，原子是从晶格中去除的，G中心缺陷是通过向晶格中添加原子（特别是碳）而产生的。但胡，Day和研究小组的其他成员发现，添加氢原子对于持续形成缺陷也至关重要。

接下来，研究人员使用一种新方法制造了电二极管，该方法以最佳方式将缺陷夹在每个器件的中心，而不会降低缺陷或二极管的性能。

这种制造方法可以在商业晶圆上创建数百个具有嵌入缺陷的器件。通过连接整个设备以施加电压或电场，研究小组发现，当在设备上施加负电压时，缺陷会关闭并变暗。

“了解环境变化何时导致信号丢失对于在网络应用中设计稳定的系统非常重要，”Day说。

研究人员还发现，通过使用局部电场，他们可以调整缺陷发射的波长，这对于需要对齐不同量子系统时的量子网络很重要。

该团队还开发了一种诊断工具，用于成像嵌入设备中的数百万个缺陷在施加电场时如何在空间中变化。

“我们发现，我们针对缺陷修改电气环境的方式具有空间轮廓，我们可以通过观察缺陷发出的光强度的变化来直接对其进行成像，”Day说。

“通过使用如此多的发射器并获得有关其性能的统计数据，我们现在对缺陷如何响应其环境变化有了很好的了解。我们可以利用这些信息来告知如何为未来设备中的这些缺陷构建最佳环境。我们更好地理解了是什么让这些缺陷感到高兴和不快乐。

接下来，该团队的目标是使用相同的技术来了解硅中的T中心缺陷。

更多信息：Aaron M. Day 等人，硅中电信色彩中心的电气操纵，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48968-w

期刊信息： Nature Communications