文/Sally Cole Johnson

2024 年 6 月 7 日，联合国大会正式宣布 2025 年为量子科学与技术国际年。这一宣布暗示着量子技术将迎来众多新的发展机遇。在Laser Focus World杂志（LFW）最近针对量子技术的一次采访中，劳伦斯伯克利国家实验室的博士后学者Kaushalya Jhuria女士，分享了她的团队演示的一种在硅中形成电信波段光学量子位的方法。这种方法建立在现有的硅基计算基础设施之上，能实现未来可扩展的量子计算机。

图1：伯克利实验室加速器技术与应用物理部的博士后学者Kaushalya Jhuria女士，正在测试用于在硅中制造量子位的实验装置中的电子器件。

LFW：是什么激发了您和团队从事量子位/量子网络方面的工作？

Jhuria：我们的灵感来自于量子计算机的变革潜力。量子计算机能够以远远超过当前超级计算机的速度，解决人类健康、药物发现和人工智能等领域的复杂问题。创建一个可以超越当前光纤技术的、安全高效的量子互联网的想法，也推动了我们的工作。

LFW：您的团队是用什么方法实现量子位的？

Jhuria：我们使用了一台飞秒激光器，它发出仅持续千万亿分之一秒的极短能量脉冲。这种激光使我们能够精确地瞄准硅中掺杂了氢和碳的特定区域，以创建量子位。这些量子位被称为量子发射器、色心或自旋光子量子位，可以长距离传输信息，非常适合构建可扩展和安全的量子网络。

LFW：请介绍一下这项研究中所采用的激光装置。

Jhuria：我们的激光装置具有超快飞秒激光系统，其可以向硅中的微观目标提供精确控制的能量脉冲。该装置包括调节激光强度和定位的机制，以确保精确的量子位形成。我们还使用一个近红外探测器（具有单光子级灵敏度，可进行高精度测量）来分析量子位的光致发光信号，这有助于我们理解和优化它们的特性。

图2：使用超快激光脉冲（飞秒或千万亿分之一秒）在硅中的特定位置创建高质量的色心（量子位）。右上角的插图显示了实验观察到的来自量子位的光信号（光致发光），其结构显示在底部。（图片来源：Kaushalya Jhuria/伯克利实验室）

LFW：这项技术的最大特点是什么？

Jhuria：这项研究最大的特色是，我们的方法能够在硅中实现可编程和精确的量子位创建和湮灭，这对于开发可扩展的量子计算机和网络至关重要。这项技术建立在现有的硅基技术的基础上，使其适合大规模生产。

它的主要好处是有可能创建可靠且相互连接的量子系统，能够处理经典计算机无法处理的复杂计算。

LFW：请分享一下项目研究中令人感到欣喜的高光时刻。

Jhuria：最激动人心的时刻之一是重新发现了所谓的Ci中心，这是一种具有自旋光子量子位前景的量子发射器。我们从早期文献中就知道了Ci中心，但用我们的方法成功地创造它还是挺出人意料的。当使用广泛适用的离子注入方法，然后在惰性气体氛围下进行快速热退火时，硅中常见的量子发射体，如G中心，很容易形成。

在我们的方法中，我们首先用形成气体代替惰性气体的退火氛围，以在硅晶格中引入额外的氢。通过这样做，通常存在的和占主导地位的G中心被钝化，同时形成更有前景的Ci中心。在这里，氢的加入使Ci中心的亮度提高了几个数量级——这是我们在实验和对中心结构的理论分析中发现的一个意想不到的效果。这一突破是一个激动人心的重要时刻，它验证了我们的方法，并为特定应用量身定制色心开辟了新的可能性。

另一个激动人心的时刻是，我们可以在单个量子发射器级别用飞秒激光脉冲精确编程这些量子位的写入和擦除。

看到我们的理论工作在实验室中变为现实，也让我们倍感惊喜。

LFW：这项工作都克服了哪些挑战？

Jhuria：我们的主要挑战包括提高量子位形成的精度和效率，并确保其在热循环和室温下的稳定性。其他挑战包括将这些量子位集成到复杂的量子设备中，并实现不同量子位之间可靠的相互作用，这对量子纠缠至关重要。

LFW：这项技术的潜在应用有哪些？

Jhuria：我们的工作有很多潜在的应用。构建具有数千个连接的量子位的量子计算机，是一项巨大挑战，扩展量子信息处理能力将需要高效的量子互连。

我们的技术可用于解决这些挑战，并推动量子网络和量子互联网的发展。这将对安全通信、数据加密和以前所未有的速度处理大型数据集，产生重大影响。金融、医疗保健和人工智能等行业，可以从这些进步中受益匪浅。

LFW：您和团队接下来的工作计划是什么？

Jhuria：下一步，我们会将这些光学量子位集成到实际的量子器件中，如光腔和波导，以研究它们的相互作用并优化它们在各种应用中的性能。我们还致力于发现其他新的自旋光子量子位，其特性会针对特定的量子计算和网络任务量身定制。

最终，我们将努力开发一个功能齐全、可扩展的量子网络，连接本地量子信息处理节点。