科学家通过一项新的研究在量子通信领域取得了重要突破。他们利用一个简单的电二极管，成功操控了商业硅片中的量子比特。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

量子互联网的构建如果能用现有的电信技术和基础设施，将会变得更容易。最近几年，研究人员发现硅这种常见的半导体材料中存在的缺陷可以用来传输和存储量子信息，而这些缺陷在广泛使用的电信波长范围内工作。硅中的这些缺陷是否会成为量子通信中最理想的量子比特载体？

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的应用物理学和电气工程教授EvelynHu表示：“现在的情况还像是西部拓荒时期。尽管新的候选缺陷作为量子存储平台很有前景，但关于为什么使用某些方法来创造这些缺陷，以及如何快速表征它们及其相互作用的知识几乎没有。最终，我们需要找到方法来更好、更快、更高效地表征这些缺陷，才能将这些可能性转化为真正的技术。”

Hu教授和她的团队开发了一个平台，可以探测、交互和控制这些潜在的强大量子系统。这个设备利用了一个简单的电二极管——半导体芯片中最常见的组件之一，来操控商业硅片中的量子比特。

通过这个设备，研究人员能够探索缺陷如何响应电场变化，在电信波段内调整其波长，甚至可以将其开关。

SEAS的博士生AaronDay说：“最令人兴奋的是，这些硅中的缺陷可以利用我们熟悉的二极管设备来理解一个全新的量子系统，并做一些新的事情。”Day和哈佛的研究员MadisonSutula共同领导了这项研究。

虽然研究团队使用这种方法来表征硅中的缺陷，但它也可以作为其他材料系统中缺陷的诊断和控制工具。

量子缺陷，也被称为色心或量子发射体，是完美晶格中的不完美之处，可以捕获单个电子。当这些电子被激光击中时，它们会在特定波长下发射光子。

图释：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：

SecondBayStudios/HarvardSEAS

研究人员最感兴趣的硅中的缺陷是G中心和T中心。当这些缺陷捕获电子时，电子会在一种被称为O波段的波长下发射光子，这种波长在电信中被广泛使用。

在这项研究中，团队集中研究了G中心缺陷。首先，他们需要弄清楚如何制造这些缺陷。与其他类型的缺陷不同，G中心缺陷是通过向晶格中添加原子（特别是碳）来制造的。但Hu、Day和研究团队发现，添加氢原子对于一致地形成缺陷也是至关重要的。

接下来，研究人员采用一种新方法制造电二极管，将缺陷最佳地夹在每个设备的中心，而不会降低缺陷或二极管的性能。

这种制造方法可以在一个商业硅片上创建数百个嵌入缺陷的设备。通过连接整个设备并施加电压或电场，团队发现当在设备上施加负电压时，缺陷会关闭并变暗。

Day说：“了解环境变化何时导致信号丢失对于工程稳定的网络应用系统非常重要。”

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，这对于在量子网络中需要对齐的不同量子系统来说非常重要。

团队还开发了一种诊断工具，可以成像在施加电场时嵌入设备中的数百万个缺陷在空间上的变化。

Day表示：“我们发现，通过修改缺陷的电环境有一个空间分布，我们可以通过观察缺陷发射光强度的变化直接成像。通过使用大量发射体并获取其性能的统计数据，我们现在对缺陷如何响应环境变化有了更好的理解。我们可以利用这些信息来构建未来设备中这些缺陷的最佳环境。我们更好地了解了什么让这些缺陷‘开心’或‘不开心’。”

接下来，团队计划使用相同的技术来研究硅中的T中心缺陷。

来自：科学剃刀