推进量子网络研究实现了迄今为止单 T 中心最大的光子发射增强

莱斯大学的工程师展示了一种控制硅材料中被称为 T 中心的原子缺陷光学特性的方法，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陈松涛说。

“T 中心最近引起了很大的兴趣，因为它们显示出作为量子网络的量子位构建块的潜力。它们以电信应用的有利波长发射单光子，但它们的光子发射率较低。”

自发发射——常见的萤火虫发光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)通过以下方式转变为较低能量状态的过程：以光子的形式释放部分能量。为了使基于 T 中心的量子位变得可行，提高 T 中心的自发发射率是科学家需要克服的障碍之一。

通过在光子集成电路中嵌入T中心，松涛和他的团队将T中心单光子发射的收集效率比典型的共焦型实验提高了两个数量级。

根据发表在《自然通讯》上的研究，该团队利用一种称为珀塞尔效应的现象证明，与光子晶体腔耦合可将 T 中心的光子发射率提高七倍。

莱斯大学研究生兼研究合著者 Yu-En Wong 表示：“我们实验的目的是证明改变硅中单个 T 中心光学特性的能力。” “事实证明，光子腔结构确实会影响 T 中心光子发射速率。通过测量有或没有腔相互作用的速率，我们能够测量腔与 T 中心之间的耦合强度。”

光子腔结构和T中心之间的耦合随着光子能量交换的速度越来越快而增强，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，”赖斯研究生兼研究合著者亚当·约翰斯顿说。

“我们在这里展示的是，我们可以利用珀塞尔效应来实现迄今为止硅中所有色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。”

这一发现是推进量子网络的重要一步，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。

“量子通信的安全性是由量子力学的基本原理保证的，能够以高概率检测到窃听者，从而改善对敏感数据的保护，”合著者 Ulises Felix-Rendon 说，他与 Johnston 和 Wong 一起研究作为陈实验室的一部分，获得应用物理学博士学位。

Felix-Rendon 表示：“谷歌和 IBM 等公司已经展示了量子计算机相对于传统计算机的显着优势。”

“然而，世界上许多最先进的量子计算机仅限于通过冷却至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超越当前量子技术的障碍。”