连接量子计算机并能够高度安全传输数据的量子互联网的前景很诱人，但要实现这一目标却面临着艰巨的挑战。传输量子信息需要使用单个光子，而不是传统光纤网络中使用的光源。
为了产生和操纵单个光子，科学家们正在转向量子光发射器，也被称为色心。半导体材料中的这些原子级缺陷可以发射固定波长或颜色的单光子，并允许光子以受控的方式与电子自旋特性相互作用。
一组研究人员最近展示了一种更有效的技术，利用脉冲离子束制造量子发射器，加深了我们对量子发射器如何形成的理解。这项工作是由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员Thomas Schenkel, Liang Tan和Boubacar kantaur领导的，他也是加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学的副教授。
该研究结果发表在《物理评论应用》杂志上，是该团队为确定处理和传输量子信息的最佳量子缺陷发射体以及精确生产量子缺陷发射体所做的更大努力的一部分。
伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的高级科学家Schenkel说:“我们正在制造的色心是量子互联网的骨干和可扩展量子信息处理的关键资源的候选者。”“它们可以支持连接量子计算节点，以实现可扩展的量子计算。”
在这项工作中，该团队的目标是在硅中制造一种特定类型的色心，该色心由两个取代的碳原子和一个略微移位的硅原子组成。产生缺陷的传统方法是用连续的高能离子束撞击硅;然而，研究人员发现，脉冲离子束的效率要高得多，可以产生更多所需的色心。
“我们惊讶地发现，脉冲离子束更容易产生这些缺陷，”ATAP的博士后学者、该论文的第一作者刘伟说。“目前，工业界和学术界主要使用连续光束，但我们已经展示了一种更有效的方法。”
研究人员认为，脉冲光束产生的瞬态激励，当温度和系统能量的快速变化是更有效地形成色心的关键，他们通过使用激光驱动加速器的脉冲离子束的早期研究建立了这一点通讯材料．
该团队利用高灵敏度的近红外探测器探测其光信号，在低温下表征了色中心的特征。他们发现，用于产生色心的离子束的强度改变了它们发射的光子的光学特性。
在国家能源研究科学计算中心(NERSC)的珀尔马特系统上进行的大规模计算机模拟为这一发现提供了进一步的见解，揭示了发射光子的波长对晶格中的应变很敏感。
“第一性原理电子结构计算已经成为理解缺陷特性的首选方法，”分子铸造厂的博士后学者、该出版物的共同第一作者Vsevolod Ivanov补充道。“即使在复杂的环境中，我们也可以预测缺陷的行为。”
研究结果还提出了量子发射器色心作为辐射传感器的新应用。
“它开辟了新的方向，”伯克利实验室分子铸造厂的研究员Tan说。“我们可以通过质子撞击硅来形成这个色心。我们可以将其用作具有方向性的暗物质或中微子探测器，因为我们看到这些不同的应变场取决于辐射的方向。”
随着对量子发射器形成和特性的深入了解，该团队将继续扩大对色心的探索。正在进行的工作包括生成一个预测存在于硅中的色中心数据库，使用计算机模拟来识别最适合量子计算和网络应用的色中心，以及改进制造技术以获得对创建单个色中心的确定性控制。
“我们正在朝着设计量子比特的新范式努力，”坎特说。“我们能否可靠地制作出一个在电信频段内运行的给定色心，具有足够的亮度，制作起来并不太难，并且有记忆等等?”我们正致力于这一探索，并取得了一些令人兴奋的进展。”
ATAP部门主管Cameron Geddes说:“在这项工作中发现的使用强光束形成色中心的新途径是高能量密度条件和等离子体科学在改进量子信息科学技术方面的令人兴奋的应用。”
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