文/Sally Cole Johnson

2024 年 6 月 7 日，聯(lián)合國(guó)大會(huì)正式宣布 2025 年為量子科學(xué)與技術(shù)國(guó)際年。這一宣布暗示著量子技術(shù)將迎來眾多新的發(fā)展機(jī)遇。在Laser Focus World雜志（LFW）最近針對(duì)量子技術(shù)的一次采訪中，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者Kaushalya Jhuria女士，分享了她的團(tuán)隊(duì)演示的一種在硅中形成電信波段光學(xué)量子位的方法。這種方法建立在現(xiàn)有的硅基計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施之上，能實(shí)現(xiàn)未來可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)。

圖1：伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)與應(yīng)用物理部的博士后學(xué)者Kaushalya Jhuria女士，正在測(cè)試用于在硅中制造量子位的實(shí)驗(yàn)裝置中的電子器件。

LFW：是什么激發(fā)了您和團(tuán)隊(duì)從事量子位/量子網(wǎng)絡(luò)方面的工作？

Jhuria：我們的靈感來自于量子計(jì)算機(jī)的變革潛力。量子計(jì)算機(jī)能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度，解決人類健康、藥物發(fā)現(xiàn)和人工智能等領(lǐng)域的復(fù)雜問題。創(chuàng)建一個(gè)可以超越當(dāng)前光纖技術(shù)的、安全高效的量子互聯(lián)網(wǎng)的想法，也推動(dòng)了我們的工作。

LFW：您的團(tuán)隊(duì)是用什么方法實(shí)現(xiàn)量子位的？

Jhuria：我們使用了一臺(tái)飛秒激光器，它發(fā)出僅持續(xù)千萬億分之一秒的極短能量脈沖。這種激光使我們能夠精確地瞄準(zhǔn)硅中摻雜了氫和碳的特定區(qū)域，以創(chuàng)建量子位。這些量子位被稱為量子發(fā)射器、色心或自旋光子量子位，可以長(zhǎng)距離傳輸信息，非常適合構(gòu)建可擴(kuò)展和安全的量子網(wǎng)絡(luò)。

LFW：請(qǐng)介紹一下這項(xiàng)研究中所采用的激光裝置。

Jhuria：我們的激光裝置具有超快飛秒激光系統(tǒng)，其可以向硅中的微觀目標(biāo)提供精確控制的能量脈沖。該裝置包括調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度和定位的機(jī)制，以確保精確的量子位形成。我們還使用一個(gè)近紅外探測(cè)器（具有單光子級(jí)靈敏度，可進(jìn)行高精度測(cè)量）來分析量子位的光致發(fā)光信號(hào)，這有助于我們理解和優(yōu)化它們的特性。

圖2：使用超快激光脈沖（飛秒或千萬億分之一秒）在硅中的特定位置創(chuàng)建高質(zhì)量的色心（量子位）。右上角的插圖顯示了實(shí)驗(yàn)觀察到的來自量子位的光信號(hào)（光致發(fā)光），其結(jié)構(gòu)顯示在底部。（圖片來源：Kaushalya Jhuria/伯克利實(shí)驗(yàn)室）

LFW：這項(xiàng)技術(shù)的最大特點(diǎn)是什么？

Jhuria：這項(xiàng)研究最大的特色是，我們的方法能夠在硅中實(shí)現(xiàn)可編程和精確的量子位創(chuàng)建和湮滅，這對(duì)于開發(fā)可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。這項(xiàng)技術(shù)建立在現(xiàn)有的硅基技術(shù)的基礎(chǔ)上，使其適合大規(guī)模生產(chǎn)。

它的主要好處是有可能創(chuàng)建可靠且相互連接的量子系統(tǒng)，能夠處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的復(fù)雜計(jì)算。

LFW：請(qǐng)分享一下項(xiàng)目研究中令人感到欣喜的高光時(shí)刻。

Jhuria：最激動(dòng)人心的時(shí)刻之一是重新發(fā)現(xiàn)了所謂的Ci中心，這是一種具有自旋光子量子位前景的量子發(fā)射器。我們從早期文獻(xiàn)中就知道了Ci中心，但用我們的方法成功地創(chuàng)造它還是挺出人意料的。當(dāng)使用廣泛適用的離子注入方法，然后在惰性氣體氛圍下進(jìn)行快速熱退火時(shí)，硅中常見的量子發(fā)射體，如G中心，很容易形成。

在我們的方法中，我們首先用形成氣體代替惰性氣體的退火氛圍，以在硅晶格中引入額外的氫。通過這樣做，通常存在的和占主導(dǎo)地位的G中心被鈍化，同時(shí)形成更有前景的Ci中心。在這里，氫的加入使Ci中心的亮度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)——這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)和對(duì)中心結(jié)構(gòu)的理論分析中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)意想不到的效果。這一突破是一個(gè)激動(dòng)人心的重要時(shí)刻，它驗(yàn)證了我們的方法，并為特定應(yīng)用量身定制色心開辟了新的可能性。

另一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻是，我們可以在單個(gè)量子發(fā)射器級(jí)別用飛秒激光脈沖精確編程這些量子位的寫入和擦除。

看到我們的理論工作在實(shí)驗(yàn)室中變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也讓我們倍感驚喜。

LFW：這項(xiàng)工作都克服了哪些挑戰(zhàn)？

Jhuria：我們的主要挑戰(zhàn)包括提高量子位形成的精度和效率，并確保其在熱循環(huán)和室溫下的穩(wěn)定性。其他挑戰(zhàn)包括將這些量子位集成到復(fù)雜的量子設(shè)備中，并實(shí)現(xiàn)不同量子位之間可靠的相互作用，這對(duì)量子糾纏至關(guān)重要。

LFW：這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用有哪些？

Jhuria：我們的工作有很多潛在的應(yīng)用。構(gòu)建具有數(shù)千個(gè)連接的量子位的量子計(jì)算機(jī)，是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，擴(kuò)展量子信息處理能力將需要高效的量子互連。

我們的技術(shù)可用于解決這些挑戰(zhàn)，并推動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。這將對(duì)安全通信、數(shù)據(jù)加密和以前所未有的速度處理大型數(shù)據(jù)集，產(chǎn)生重大影響。金融、醫(yī)療保健和人工智能等行業(yè)，可以從這些進(jìn)步中受益匪淺。

LFW：您和團(tuán)隊(duì)接下來的工作計(jì)劃是什么？

Jhuria：下一步，我們會(huì)將這些光學(xué)量子位集成到實(shí)際的量子器件中，如光腔和波導(dǎo)，以研究它們的相互作用并優(yōu)化它們?cè)诟鞣N應(yīng)用中的性能。我們還致力于發(fā)現(xiàn)其他新的自旋光子量子位，其特性會(huì)針對(duì)特定的量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)量身定制。

最終，我們將努力開發(fā)一個(gè)功能齊全、可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)，連接本地量子信息處理節(jié)點(diǎn)。