微小的原子调整将硅转变为量子互联网的高效光源

通过调整原子振动，研究人员将硅的T中心转变为近乎完美的单光子发射器。

在量子物理的奇妙世界中，即使是最微小的调整也能带来巨大的回报。

在一项新研究中，科学家们表明，只需将硅内的一种氢原子替换成稍重的版本，就能显著提高其产生单光子的能力。

这听起来可能像是一个微小的化学调整，但它可能对量子计算机和超安全通信网络产生重大影响。

研究作者指出："高效的单光子发射器对于量子技术，包括量子网络和光子量子计算机，是非常理想的。"

这项研究挑战了长期以来的观点，即硅是量子光源的低效宿主。相反，它表明，已经成为现代电子学基础的硅，也可能为未来的量子互联网提供动力。

创造完美的缺陷

这一发现的核心是硅中一个微小的不完美点，即T中心。色心是晶格中的一个小缺陷——在这种情况下，是指嵌入硅中的两个碳原子和一个氢原子。

当被激发时，这个缺陷可以发射出一个单光子，这正是量子技术所需要的。T中心特别有吸引力，因为它发出的光波长与光纤互联网电缆使用的波段（电信O波段）相同。

这意味着它可以直接连接到当今的通信基础设施。然而，一直存在一个问题：T中心有时会在不发光的情况下损失能量。它没有释放光子，而是以振动的方式耗散能量——这个过程被称为非辐射衰变。

科学家们知道这种情况会发生，但他们不明白原因，也不知道如何阻止它。研究人员决定寻找答案。他们的研究从同位素入手。

"T中心由硅晶格中的两个碳原子和一个氢原子组成，可以产生不同的同位素形式。例如，氢可以是常见的、较轻的同位素（氕），也可以是较稀有、较重的同位素（氘）。"主要研究人员之一莫因·卡泽米表示。

由于氘更重，它改变了原子在晶体内的振动方式。为了仔细研究这种效应，研究作者首先需要极高纯度的硅。

他们在德国的合作伙伴生长了高纯度硅晶体，这些晶体最初是为阿伏伽德罗项目开发的，该项目旨在使用近乎完美的硅球体重新定义千克。这些超洁净的样品是研究精细量子特性的理想材料。

然后，研究人员通过用高能粒子照射硅来创建T中心。照射后，他们仔细地对样品进行加热和冷却，使缺陷正确形成。

他们准备了三种类型的样品：一种含有天然氢（主要是氕），第二种特意注入了氘，使较重的同位素占主导地位，第三种富含碳-13，形成不同的碳同位素构型。

为了清晰地观察这些变体之间的细微差异，样品使用液氦冷却到低于4开尔文（-269.1°C或-452.5°F）的温度。在如此低的温度下，原子振动急剧减慢，使得量子效应更容易测量。

观察振动"窃取"光

样品制备好后，研究团队使用光致发光光谱学和傅里叶变换红外光谱仪来识别每种同位素变体的发射谱线。这些测量使他们能够直接观察缺陷内部的振动模式。

他们发现，用氘取代氢降低了碳-氢（C-H）键振动的能量。这个看似微小的变化被证明至关重要。较低的振动能量抑制了那种消耗能量而不产生光的有害衰变路径。

为了测量每个T中心在发射光子前保持激发态的时间，团队使用了脉冲共振激光激发。通过精确调谐激光，他们可以一次瞄准一种同位素变体。光子到达时间使用时间分辨单光子探测器记录。

结果很有趣。氘化T中心的激发态寿命是普通氕版本的5.4倍。事实上，它的寿命几乎达到了如果完全没有非辐射衰变时所预期的数值。

此外，初步估计表明，氘化T中心的效率可能超过90%，甚至可能达到98%以上。这种巨大的差异揭示了研究人员所称的巨大同位素效应。它表明能量损失与局部C-H键的振动密切相关。

"我们在美国海军研究实验室的合作者马克·图里安斯基和约翰·莱昂斯模拟了这个衰变过程，发现标准的用于模拟振动衰变的'接受模式'方法在这种情况下完全失效。"该研究的作者之一丹尼尔·希金博顿表示。

"我们展示了一个非常简单的替代方案，只考虑C-H伸缩模式，就与实验吻合得很好，并重现了强烈的同位素依赖性。"希金博顿补充道。

一个更重的原子，一条通往量子互联网的更轻便之路

较重的同位素还改善了所谓的光学循环性——即系统在被重置之前可以被激发并发射光的次数。
例如，研究作者估计，氘化T中心的光学循环次数大约比氕版本多300倍。这使得"电子自旋的单次读取成为可能，并可能加快T中心的量子操作速度。"希金博顿说。

多年来，硅色心在很大程度上被忽视了，因为人们认为与金刚石等材料中的缺陷相比，它们的效率较低。这项研究提供了一些迄今为止最有力的证据，证明硅可以承载高效的单光子发射器。

由于T中心自然地在电信O波段发射，它们非常适合在数十公里长的现有光纤上分配量子信息。

有趣的是，也参与了这项研究的量子技术公司Photonic Inc.已经开始将氘化T中心纳入其开发流程，这表明基础研究向实用技术的转化可以有多快。

然而，这并不意味着研究部分已经结束。"下一步，我们将对T中心所有可能的同位素变体的基本振动模式进行全面研究。这些测量将使我们能够更精确地理解色心的振动结构如何影响其光学特性。"卡泽米说。

该研究发表在《物理评论快报》期刊上。

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