水稻研究显示推进量子网络的前景

莱斯大学的工程师已经展示了一种控制硅材料中称为T中心的原子缺陷的光学特性的方法，为利用这些点缺陷为大规模量子网络构建量子节点铺平了道路。

“T中心是硅规则晶格中的一种原子缺陷，”电气和计算机工程助理教授Songtao Chen说。“T中心最近引起了人们的极大兴趣，因为它们显示出作为量子网络量子比特构建块的潜力。它们以有利于电信应用的波长发射单光子，但它们的光子发射率很低。

自发发射 ⎯ 萤火虫熟悉的光芒或其他夜光效应背后的现象 ⎯ 描述了量子力学系统（如分子、原子或亚原子粒子）通过以光子的形式释放部分能量而过渡到低能量状态的过程。提高T中心的自发发射速率是科学家需要克服的障碍之一，以使基于T中心的量子比特可行。

通过在光子集成电路中嵌入T中心，Songtao和他的团队将T中心单光子发射的收集效率提高了两个数量级，与典型的共聚焦型实验相比。根据发表在《自然通讯》上的一项研究，该团队证明，与光子晶体腔的耦合将T中心的光子发射率提高了七倍，利用了一种称为Purcell效应的现象。

“我们实验的目的是证明改变硅中单个T中心的光学特性的能力，”Rice研究生和研究合著者Yu-En Wong说。“事实证明，光子腔结构确实会影响T中心光子发射率。通过测量有和没有腔体相互作用的速率，我们能够测量腔体和T中心之间的耦合强度。

随着光子腔结构与T中心之间的耦合越来越强，它们交换光子能量的速度越来越快，从而缩短了能量在T中心存储的时间。

“这就是通常所说的珀塞尔效应，”赖斯研究生和研究合著者亚当约翰斯顿说。“我们在这里展示的是，我们可以部署Purcell效应，以实现迄今为止硅中所有色中心中最纯净的单光子发射，以及单个T中心的最大光子发射增强。

这一发现是朝着推进量子网络迈出的重要一步，量子网络依靠光子的量子特性来编码信息，从而实现更强大的计算和增强的安全性。

“量子通信的安全性由量子力学的基本原理保证，能够高概率地检测窃听者，从而改善对敏感数据的保护，”合著者Ulises Felix-Rendon说，他与Johnston和Wong一起攻读应用物理学博士学位。

“谷歌和IBM等公司已经证明了量子计算机相对于经典计算机的显着优势，”Felix-Rendon说。“然而，许多世界上最先进的量子计算机仅限于通过冷却到低温的电线发送信息，这限制了这些系统的可扩展性。我们希望我们的工作将有助于开发量子网络以连接远程量子计算机，并克服量子技术的当前障碍。

该研究得到了美国国家科学基金会（2238298），罗伯特·韦尔奇基金会（C-2134）和莱斯学院倡议基金的支持。作者进一步承认使用了赖斯共享设备管理局支持的洁净室设施。

同行评议论文：

“硅腔耦合电信原子源” |自然通讯 |DOI： 10.1038/s41467-024-46643-8

作者：Adam Johnston、Ulises Felix-Rendon、Yu-En Wong 和 Songtao Chen

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46643-8

图片下载：

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图片说明：本研究中使用的基于T中心的硅量子光子芯片。（摄影：Gustavo Raskosky/莱斯大学）

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图片说明：莱斯大学（从左到右）Adam Johnston、Songtao Chen、Ulises Felix-Rendon和Yu-En Wong团队展示了单个T中心的空腔增强光-物质相互作用，从而加速了单个T中心的单光子发射速率。（摄影：Gustavo Raskosky/莱斯大学）

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图片说明：莱斯大学应用物理学研究生（从左到右）Adam Johnston、Ulises Felix-Rendon和Yu-En Wong在Songtao Chen的实验室从事与已发表工作相关的项目。（摄影：Gustavo Raskosky/莱斯大学）

链接：

陈实验室：https://chenlab.rice.edu/

量子计划：https://quantum.rice.edu/

电气与计算机工程系：https://eceweb.rice.edu/

乔治·布朗工程学院：https://engineering.rice.edu/

应用物理学研究生课程：https://appliedphysics.rice.edu/

Smalley-Curl 研究所：https://sci.rice.edu/