光纤发射器

资料来源：哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院

为了寻求实现量子网络的新技术，哈佛大学的研究人员开发了一种新的基于激光的策略，用于创造单原子、近表面的材料缺陷，这可以用来形成量子比特，即量子计算的最基本单位。该团队还发现了一种实时测量和描述纳米级空腔内光学发射器形成的方法。

哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的Evelyn Hu和她的团队在《自然-材料》上报告了这一进展，可以更好地控制量子比特输出的时间和强度。

"论文的资深作者、SEAS应用物理学和电气工程的Tarr-Coyne教授Hu说："这些本质上是'缺陷'材料；在一个完美的晶体结构中缺少一个原子，或一个空位。"一个空位有它自己的电子状态，它有一定的自旋，并且它有可能发射出特定波长的光子。

这些缺陷和它们所发射的光的波长有时被称为色心，因为它们可以赋予钻石和其他晶体美丽的颜色。但是在光子材料的纳米级空腔内--它可以折射、控制或操纵光线--这些缺陷可以像信息的光学发射器一样发挥作用。

"我们的团队对这些缺陷的形成以及它们如何在量子网络中表现为量子比特真正感兴趣。该论文的共同第一作者Aaron Day说："通过纠缠将纳米光子腔中的缺陷阵列耦合起来，将允许传输量子信息。他和论文的另一位共同第一作者Jonathan Dietz都是Hu的实验室的应用物理学博士生。

然而，直到现在，还没有办法完全控制纳米级空腔中光学发射器的确切位置而不损坏材料的其他晶体结构。

通常情况下，在这样的腔体中创造发射器的过程--比人类头发的宽度还要小100倍--需要使用离子或低于带隙的激光器来破坏材料的晶体结构。(带隙指的是激发材料电子所需的最小能量，以便它们能够自由传导电流）。但是大多数实验室都没有离子植入设备。胡说，这两种传统技术都是对动能的 "粗暴 "使用，效率低下且难以控制--更像是喷砂而不是仔细钻孔。

"为了做我们想做的事，我们知道我们需要开发一些极其精确的仪器，"胡说。

该团队将他们的解决方案比作手写笔和模板，使用激光（手写笔进行书写）和空腔（人们向其中书写的模板）来形成和描述空穴的形成。"Day说："我们想用高于带隙的光脉冲来做这件事--比低于带隙的激光含有更多的光子能量--"以便更有效地将能量从激光'触笔'转移到材料'模板'上。

首先，Day和Dietz在一个无尘室中用商业级碳化硅制造了纳米光子腔装置，这是一项耗时且艰苦的工作。然后，他们进行了实验，试图在腔体内部准确地创造出他们想要的光发射器。

"起初，我们的激光脉冲炸毁了我们的空腔--基本上是炸毁了它们，"Day说，这种结果远非理想。"我们需要极大地减少激光的能量"。

通过试验和错误，他们确定了需要多少能量和多少能量来创建所需的发射器，同时保留腔体的其余部分而不造成 "爆炸"。他们还在他们的系统中建立了一个额外的 "读出 "激光器，使他们能够评估腔体在被缺陷形成的激光器脉冲之前和之后所发出的共振，或光子信号。

"我们发现的最酷的事情之一是，我们可以监测空腔，做一个激光脉冲来创造光发射器，然后得到空腔的直接变化的读出，"Day说。

"我们的工作最令人兴奋的潜力在于创造可扩展数量的量子比特。迪茨说："一种实时创建和评估发射器的方法使得挑选一个具有正确属性的腔体并可靠地将其变成量子信息的宿主变得更加容易。

此外，Hu的团队说他们的方法对一系列的基本问题可能会有广泛的帮助。

"当我们在空腔内形成缺陷时，我们可以利用这些空腔立即告诉我们关于当地材料环境的信息--把它作为一个'纳米镜'来探测原子缺陷的特性，"戴补充说。"将这种新的激光测针与利用空腔共振为我们提供实时反馈的模板相结合，使我们能够无缝地编写和改进设备。这两种工具结合在一起，比它们中的任何一种单独使用都更强大"。

参考资料：Aaron M. Day et al, Laser writing of spin defects in nanophotonic cavities, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01544-x