文章来源：中国光学
原文作者：Light新媒体
在目前的计算机网络中，比特是承载信息的基础单元，例如通常我们用0和1来代表不同的信息。然而使用比特表示信息时，它具有它的局限性，单个单位只含有单个信息，因此谷歌、IBM等大公司近年来都将目光转向了量子计算机。未来，当从经典计算机发展至量子计算机时，量子比特将作为基础的信息单元。
什么是量子比特？量子的一个重要特点是叠加态，我们所熟知的薛定谔的猫，就是这样一种叠加态，它能既是活的也是死的，那么量子比特如何体现它的叠加态特性呢？这里我们拿一枚硬币作为例子，当它放置在桌子上时，它要么是正面要么是反面，将正面和反面对应到0和1，这就是传统比特；而当我们将硬币在桌子上旋转起来时，我们将无法分辨它是正面还是反面，如果要描述这种状态，我们可以说它此时处于正面和反面的叠加态，也就是对应于0和1的叠加态，这就是量子比特。倘若我们使用量子作为传递信息的基本单元，通过利用它的叠加态特性，我们能使其同时表示0和1，这就是量子比特最重要的一个特性，当量子比特数量增多时，它能同时表示的信息将指数级别增长。例如一个量子比特能同时表示0和1，当扩展到18个量子比特时，它们能同时表示2的18次方个数字，而18个传统比特只能表示2的18次方中的一个数字，因此使用量子比特的量子计算机将彻底颠覆传统计算速度。
如何构建量子网络？网络将传统的计算机相互连接起来，而对于量子计算机，我们同样也可以构建量子网络。在传统通信网络中，我们会将比特信号加载到光波上，那么在量子网络中，我们也可以将量子比特加载到光波上，因此我们首先应该考虑的是，哪一种量子比特能够有效地与光进行耦合，从而利用起当今覆盖全球的光纤通信网络，构建出量子网络。当我们选择一种能够通过光传播的量子比特时，这种量子比特，往往具有许多相互冲突的性质，例如持久性、长距离传播性、易造性等。位于硅晶体中的单个铒原子。它具有两大优势，一方面它能够工作于光通信波长，另一方面它能够利用现有的芯片加工工艺，可以实现一种理想的量子比特。
为什么选择硅与铒？
选择硅作为掺杂的固体非常具有吸引力，因为它作为掺杂的固体具有许多优势，比如能够充分利用现有的芯片生产线，能够轻易获取高纯度硅晶圆，而且硅能够为量子比特提供一个噪声相对较小的环境。
铒是一种理想的掺杂原子，一方面，铒发出的光具有出色的相干性，这是储存和传输量子信息的先决条件。另一方面，铒发出的光发生在通信波长附近，因此通过铒获得的量子比特，能够与现有的大规模光纤通信网络结合起来。
如何准确地将铒植入硅晶格？
在量子应用中，通常希望能够高效、可重复地将原子掺杂到一个特定的晶格点上，从而使得原子具有特定的跃迁频率。然而，将铒植入硅特定的晶格点，始终是一件非常困难的事情。
以往将铒掺杂到硅的过程中，铒并没有被成功植入到特定的晶格点上。由于杂质的存在，铒会在杂质原子周围不均匀的聚集，使得不同位置的铒具有不同的跃迁频率。
为了解决这一问题，研究团队使用了更高纯度的硅，并且通过降低退火温度，减少铒离子植入的浓度，从而成功将铒准确地植入硅特定的晶格位置上。
图1：集成到硅波导中的铒原子（红色和橙色）艺术效果图图片来源：C. Hohmann，MPQ
具有什么优势？
当将铒准确的植入到硅晶格之后，通过在该晶圆上制作光波导，在一定的激发条件下，能够使得光波导输出的光具有极窄的线宽，这是构建量子网络所需要一个的重要特性。
以往量子比特实验通常需要在接近绝对零度下实现，例如IBM的超导量子比特，需要在0.01开尔文的温度下实现，这是一个极其苛刻的条件，该温度已解决宇宙中的最低温度，需要庞大复杂的制冷装置才能实现。
而该研究团队得到的硅中掺杂铒原子，最高能够在8开尔文温度下，依旧能观察到优异的相干性，从而降低了实现量子比特的温度要求，这个温度在装有液氦中的低温恒温器中可以轻易实现。
未来，有哪些应用？
研究员预计，通过使用更长的波导或更大的掺杂浓度，在掺铒硅上能够实现更长寿命的芯片量子存储器。通过进一步优化硅的纯度，或能实现更窄的线宽，为微波到光波的有效转换提供帮助。
未来大规模量子网络的实现，能够解决经典系统无法解决的复杂任务，例如量子加密、大规模仿真计算等，而这些功能的前提，需要在量子网络中实现量子比特的纠缠，下一个目标，就是证明硅芯片上的铒量子比特能够实现量子纠缠。
本文封面图：Light新媒体
参考资料：
[1]. Weiss L, Gritsch A, Merkel B, et al. Erbium dopants in nanophotonic silicon waveguides[J]. Optica, 2021, 8(1): 40-41.
[2]. https://www.mpq.mpg.de/6775298/11-erbium-atoms-in-silicon-a-prime-candidate-for-quantum-networks?c=2342
[3].https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2022/november/erbium_the_qubit_for_tomorrow_s_quantum_networks/?feed=News
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编辑：陆定辞
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