該器件使用一個簡單的電二極管來操縱商業矽晶圓內部的量子比特。圖片來源：Second Bay Studios/Harvard SEAS
如果我們能夠使用現有的電信技術和基礎設施，量子互聯網的構建將容易得多。在過去的幾年裏，研究人員發現了矽（一種無處不在的半導體材料）的缺陷，這些缺陷可用於在廣泛使用的電信波長上發送和存儲量子信息。矽中的這些缺陷能否成為所有有前途的候選者中的最佳選擇，以托管量子通信的量子比特？
“那裏仍然是一個狂野的西部，”哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）應用物理學和電氣工程的Tarr-Coyne教授Evelyn 胡說。
“盡管新的候選缺陷是一個很有前途的量子存儲平台，但對於為什麼使用某些配方來創建它們，以及如何快速表征它們及其相互作用，即使是在集成中，通常幾乎一無所知。
“最終，我們如何微調它們的行為，使它們表現出相同的特征？如果我們要從這個充滿可能性的廣闊世界中創造一種技術，我們必須有辦法更好、更快、更有效地描述它們。
現在，胡和一組研究人員開發了一個平台來探測、交互和控制這些潛在的強大量子系統。該器件使用一個簡單的電子二極管（半導體芯片中最常見的組件之一）來操縱商業矽晶圓內部的量子比特。
使用這種設備，研究人員能夠探索缺陷如何響應電場的變化，調整其在電信頻段內的波長，甚至打開和關閉它。
“在矽中擁有這些缺陷最令人興奮的事情之一是，你可以在這種熟悉的材料中使用二極管等廣為人知的器件來理解一個全新的量子系統，並用它做一些新的事情，”SEAS的博士候選人Aaron Day說。戴與哈佛大學研究員麥迪遜·蘇圖拉（Madison Sutula）共同領導了這項工作。
雖然研究小組使用這種方法來表征矽中的缺陷，但它可以用作其他材料系統缺陷的診斷和控制工具。
該研究發表在《自然通訊》上。
量子缺陷，也稱為顏色中心或量子發射器，是可以捕獲單個電子的完美晶格中的缺陷。當這些電子被激光擊中時，它們會發射特定波長的光子。
研究人員對量子通信最感興趣的矽缺陷被稱為G中心和T中心。當這些缺陷捕獲電子時，電子會以稱為 O 波段的波長發射光子，該波段廣泛用於電信。
在這項研究中，該團隊專注於G中心缺陷。他們需要弄清楚的第一件事是如何制作它們。與其他類型的缺陷不同，在缺陷中，原子是從晶格中去除的，G中心缺陷是通過向晶格中添加原子（特別是碳）而產生的。但胡，Day和研究小組的其他成員發現，添加氫原子對於持續形成缺陷也至關重要。
接下來，研究人員使用一種新方法制造了電二極管，該方法以最佳方式將缺陷夾在每個器件的中心，而不會降低缺陷或二極管的性能。
這種制造方法可以在商業晶圓上創建數百個具有嵌入缺陷的器件。通過連接整個設備以施加電壓或電場，研究小組發現，當在設備上施加負電壓時，缺陷會關閉並變暗。
“了解環境變化何時導致信號丟失對於在網絡應用中設計穩定的系統非常重要，”Day說。
研究人員還發現，通過使用局部電場，他們可以調整缺陷發射的波長，這對於需要對齊不同量子系統時的量子網絡很重要。
該團隊還開發了一種診斷工具，用於成像嵌入設備中的數百萬個缺陷在施加電場時如何在空間中變化。
“我們發現，我們針對缺陷修改電氣環境的方式具有空間輪廓，我們可以通過觀察缺陷發出的光強度的變化來直接對其進行成像，”Day說。
“通過使用如此多的發射器並獲得有關其性能的統計數據，我們現在對缺陷如何響應其環境變化有了很好的了解。我們可以利用這些信息來告知如何為未來設備中的這些缺陷構建最佳環境。我們更好地理解了是什麼讓這些缺陷感到高興和不快樂。
接下來，該團隊的目標是使用相同的技術來了解矽中的T中心缺陷。
更多信息：Aaron M. Day 等人，矽中電信色彩中心的電氣操縱，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48968-w
期刊信息： Nature Communications
