艺术描绘了一种使用超快激光脉冲（飞秒或千分之一秒）在硅的特定位置创建高质量色中心（量子比特）的新方法。右上角的插图显示了来自量子比特的实验观察到的光信号（光致发光），其结构显示在底部。图片来源：Kaushalya Jhuria/伯克利实验室

量子计算机有可能解决人类健康、药物发现和人工智能方面的复杂问题，其速度比世界上一些最快的超级计算机快数百万倍。量子计算机网络可以更快地推进这些发现。但在此之前，计算机行业将需要一种可靠的方法，以原子精度将数十亿个量子比特或量子比特串在一起。

然而，连接量子比特对研究界来说一直是一个挑战。一些方法通过将整个硅晶圆置于非常高的温度下快速退火炉中来形成量子比特。

通过这些方法，量子比特从硅晶格中的缺陷（也称为颜色中心或量子发射器）随机形成。如果不知道量子比特在材料中的确切位置，连接量子比特的量子计算机将很难实现。

但现在，让量子比特连接可能很快就会成为可能。由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一个研究小组表示，他们是第一个使用飞秒激光器通过在硅中掺杂氢气来按需精确地创建和“湮灭”量子比特的人。

这一进展可以使使用可编程光学量子比特或“自旋光子量子比特”的量子计算机通过远程网络连接量子节点。它还可以推进量子互联网，不仅更安全，而且可以传输比当前光纤信息技术更多的数据。

“为了构建可扩展的量子架构或网络，我们需要能够在所需位置可靠地按需形成的量子比特，以便我们知道量子比特在材料中的位置。这就是为什么我们的方法至关重要，“伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的博士后学者Kaushalya Jhuria说。她是《自然通讯》（Nature Communications）杂志上一项新研究的第一作者，该研究描述了这项技术。

“因为一旦我们知道一个特定的量子比特位于什么位置，我们就可以确定如何将这个量子比特与系统中的其他组件连接起来，并建立一个量子网络。

“这可能为工业界克服量子比特制造和质量控制方面的挑战开辟一条潜在的新途径，”伯克利实验室ATAP部门聚变科学与离子束技术项目负责人Thomas Schenkel说。他的团队将于6月接待夏威夷大学的第一批学生，学生们将沉浸在色彩中心/量子比特科学和技术中。

新方法使用气体环境在硅中形成称为“颜色中心”的可编程缺陷。这些颜色中心是特殊电信量子比特或“自旋光子量子比特”的候选者。该方法还使用超快飞秒激光器对硅进行精确退火，这些量子比特应该精确地形成。飞秒激光器在千万亿分之一秒内向尘埃大小的聚焦目标提供非常短的能量脉冲。

自旋光子量子比特发射的光子可以远距离携带电子自旋编码的信息，这是支持安全量子网络的理想特性。量子比特是量子信息系统中最小的组件，它以三种不同的状态对数据进行编码：1、0 或介于 1 和 0 之间的叠加态。

Kaushalya Jhuria在实验室中测试用于在硅中制造量子比特的实验装置中的电子设备。图片来源：Thor Swift/伯克利实验室

在伯克利实验室材料科学部的教职科学家、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学（EECS）教授Boubacar Kanté的帮助下，该团队使用近红外探测器通过探测其光学（光致发光）信号来表征产生的颜色中心。

他们发现的东西让他们感到惊讶：一种叫做C的量子发射器我中心。由于其结构简单、室温下的稳定性和有前途的自旋性能，C我Center是一个有趣的自旋光子量子比特候选者，它在电信频段发射光子。“我们从文献中知道我可以在硅中形成，但我们没想到会用我们的方法真正制造出这种新的自旋光子量子比特候选者，“Jhuria说。

研究人员了解到，在氢气存在下以低飞秒激光强度处理硅有助于产生C我颜色中心。进一步的实验表明，增加激光强度可以增加氢的迁移率，从而在不损坏硅晶格的情况下钝化不需要的色中心，Schenkel解释说。

伯克利实验室分子铸造厂的科学家Liang Tan进行的理论分析表明，C我在氢气存在下，颜色中心被提升了几个数量级，证实了他们在实验室实验中的观察结果。

“飞秒激光脉冲可以踢出氢原子或将它们带回，从而允许在精确位置可编程地形成所需的光学量子比特，”Jhuria说。

该团队计划使用该技术将光学量子比特集成到量子设备（如反射腔和波导）中，并发现新的自旋光子量子比特候选者，其特性针对选定应用进行了优化。

“现在我们可以可靠地制造颜色中心，我们希望让不同的量子比特相互通信 - 这是量子纠缠的体现 - 并查看哪些量子比特表现最好。这仅仅是个开始，“Jhuria说。

ATAP部门主任Cameron Geddes表示：“在大规模可用的硅等材料中，在可编程位置形成量子比特的能力是迈向实用量子网络和计算的令人兴奋的一步。

更多信息：K. Jhuria 等人，硅中的可编程量子发射器形成，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48714-2

期刊信息： Nature Communications