内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨沛贤/浪味仙  排版丨沛贤

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摘要：研究人员利用气体环境在硅中形成被称为“色心”的可编程缺陷，首次利用飞秒激光，实现了在掺氢硅中按需精准创建量子比特，有助于实现更安全、更高效的量子互联网。

图片：考沙利亚-朱里亚（Kaushalya Jhuria）在实验室测试用于在硅片中制造量子比特的实验装置中的电子器件。(托尔-斯威夫特/伯克利实验室）

量子计算机有潜力解决人类健康、药物发现和人工智能领域的复杂问题，计算速度可比世界上最强超算快数百万倍，量子计算机网络能够加速推进相关发现。但在此之前，计算机行业必须找到一种可靠方法，能够以原子级精度将数十亿量子比特相互连接。

在研究界，量子比特互连一直是个重大挑战。目前，研究者采取的一种传统方法，是将整个硅片放入快速退火设备中，利用高温进行处理。在这种方法中，量子比特会在硅晶格的缺陷处（这些缺陷也被称为色心或量子发射器）随机形成。然而，如果不知道量子比特在材料中的确切位置，将它们相互连接以构建量子计算机的设想就很难实现。

但现在，量子比特互连或将很快实现。劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队表示，他们首次利用飞秒激光，实现了在掺氢硅中按需精准创建量子比特。这一技术突破，让使用可编程光学量子比特或“自旋光量子比特”的量子计算机，能够通过远程网络连接量子节点，进而推动更安全、更高效量子互联网的实现。

“为了构建可扩展的量子架构或网络，我们需要能够在确定位置可靠地按需生成量子比特，以便我们知道量子比特在材料中的位置，这就是我们方法的价值所在。”伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部的博士后学者 Kaushalya Jhuria 表示：“一旦我们知道特定量子比特的确切位置，就能知道如何将其与系统中的其他组件连接起来，从而构建量子网络。”

“这可能在克服量子比特制造和质量控制的挑战方面，为工业界开辟了一条新路径。”伯克利实验室 ATAP 部门聚变科学与离子束技术项目负责人、首席研究员 Thomas Schenkel 说到。他的团队将于 6 月接待来自夏威夷大学的首批学生，这是美国能源部聚变能源科学资助的 RENEW 项目的一部分，学生们将在该项目中深入学习色心/量子比特的技术。

这种新方法利用了气体环境在硅中形成被称为“色心”的可编程缺陷，通过可在万亿分之一秒内向尘埃大小的指定目标发射非常短能量脉冲的飞秒激光，实现对硅的精确退火，精准生成量子比特。

自旋光量子比特发射的光子，可以远距离携带电子自旋编码的信息，是支撑安全量子网络的一个理想特性。在伯克利实验室材料科学部科学家 Boubacar Kanté 的帮助下，该研究团队使用近红外探测器，通过探测其光学信号来表征产生的色心。

他们观测到了一个令人惊讶的量子发射体，称为 Ci 中心。凭借其简单的结构、室温下的稳定性和自旋特性，能在电信波段发射光子的 Ci 中心，成为一个有力的自旋光量子比特候选者。“我们从文献中知道 Ci 可以在硅中形成，但没想到的是，我们的方法能够真的制造出它。”伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部的博士后学者 Kaushalya Jhuria 兴奋的说到。

研究人员发现，在氢存在的情况下，以低强度飞秒激光处理硅有助于产生 Ci 色心。进一步的实验表明，提高激光强度可以增加氢的迁移率，从而在不损坏硅晶格的情况下钝化不需要的色心。

伯克利实验室分子铸造厂的科学家 Liang Tan 进行的一项理论分析表明，氢的存在使 Ci 色心的亮度提高了几个数量级，这证实了他们在实验中的观察结果。“飞秒激光脉冲可以踢出或带回氢原子，从而在精确位置上可编程地形成所需的光学量子比特”。

研究团队计划利用该技术，将光学量子比特集成到反射腔和波导等量子器件中，以期发现具有针对选定应用优化特性的新自旋光量子比特候选者。

“现在我们可以稳定的制造色心，同时，我们希望让不同的量子比特互相‘对话’——这是量子纠缠的一种体现，我们试图找出那些表现最好的量子比特，并为我们所用。这只是一个开始，相信未来会有更多新的突破。”Jhuria 表示。

ATAP 部门主任Cameron Geddes提到，“在硅等材料的可编程位置上大规模生成量子比特，是迈向实用量子网络和计算的令人兴奋的一步。”。

该研究的理论分析，是在美国能源部国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 伯克利实验室完成的，并得到了美国能源部聚变能源科学办公室的支持。

特此说明：量子前哨翻译此文仅作信息传递和参考，并不意味着同意此文中的观点与数据。

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