新技术可能有助于构建未来的量子计算机

量子计算机有潜力解决人类健康、药物研发和人工智能等复杂问题，速度比世界上一些最快的超级计算机快数百万倍。量子计算机网络可以更快地推进这些发现。但在实现这一点之前，计算机行业需要一种可靠的方法，以原子级精度将数十亿个量子位(或量子比特)串联在一起。

然而，连接量子比特对研究界来说一直是一个难题。有些方法是将整个硅片放入高温快速退火炉中形成量子比特。

使用这些方法，量子比特会随机地从硅晶格中的缺陷(也称为色心或量子发射器)中形成。如果不知道量子比特在材料中的确切位置，则很难实现连接量子比特的量子计算机。

但现在，让量子比特连接起来​​可能很快就能实现。劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)领导的研究小组表示，他们是第一个使用飞秒激光在硅中掺杂氢，按需求精确地创建和“消灭”量子比特的人。

这一进展将使使用可编程光学量子比特或“自旋光子量子比特”的量子计算机能够通过远程网络连接量子节点。它还可以推动量子互联网的发展，使之不仅更加安全，而且比目前的光纤信息技术传输的数据更多。

“为了构建可扩展的量子架构或网络，我们需要能够根据需要在所需位置可靠形成的量子比特，这样我们才能知道量子比特在材料中的位置。这就是我们的方法至关重要的原因，”伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的博士后学者KaushalyaJhuria说道。她是《自然通讯》杂志上一项描述该技术的新研究的第一作者。

“因为一旦我们知道特定量子位位于何处，我们就可以确定如何将这个量子位与系统中的其他组件连接起来并建立量子网络。”

伯克利实验室ATAP部门聚变科学与离子束技术项目负责人、首席研究员托马斯·申克尔(ThomasSchenkel)表示：“这可能为行业克服量子比特制造和质量控制方面的挑战开辟一条潜在的新途径。”他的团队将于6月接待来自夏威夷大学的第一批学生，学生们将沉浸在色心/量子比特科学和技术中。

利用可编程控制在硅中形成量子比特

新方法利用气体环境在硅中形成可编程缺陷，即“色心”。这些色心是特殊电信量子比特或“自旋光子量子比特”的候选对象。该方法还使用超快飞秒激光对硅进行退火，精确定位这些量子比特应该形成的位置。飞秒激光在千万亿分之一秒内将非常短的能量脉冲传送到灰尘大小的聚焦目标上。

自旋光子量子比特发射光子，这些光子可以携带电子自旋编码的信息穿越长距离——这是支持安全量子网络的理想特性。量子比特是量子信息系统中最小的组件，它以三种不同的状态对数据进行编码：1、0或1和0之间的叠加态。

KaushalyaJhuria在实验室中测试用于在硅中制造量子比特的实验装置的电子设备。图片来源：ThorSwift/伯克利实验室

在伯克利实验室材料科学部科学家、加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学(EECS)教授BoubacarKanté的帮助下，研究小组使用近红外探测器通过探测光学(光致发光)信号来表征所产生的色心。

他们发现的结果让他们大吃一惊：一种称为Ci中心的量子发射器。由于其结构简单、室温下稳定以及良好的自旋特性，Ci中心是一个有趣的自旋光子量子比特候选者，它在电信波段发射光子。“我们从文献中知道Ci可以在硅中形成，但我们没想到我们的方法能真正制造出这种新的自旋光子量子比特候选者，”Jhuria说。

研究人员发现，在氢存在的情况下，使用低飞秒激光强度处理硅有助于产生Ci色心。Schenkel解释说，进一步的实验表明，增加激光强度可以提高氢的迁移率，从而钝化不良色心，而不会损坏硅晶格。

伯克利实验室分子铸造厂的研究员梁谭进行的理论分析表明，在氢存在的情况下，Ci色心的亮度会提高几个数量级，证实了他们从实验室中观察到的现象。

Jhuria说：“飞秒激光脉冲可以释放氢原子或将其带回，从而可以在精确位置可编程地形成所需的光学量子比特。”

该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设备中，并发现具有针对特定应用优化特性的新型自旋光子量子比特候选者。

“既然我们能够可靠地制造出色心，我们希望让不同的量子比特相互交流——这是量子纠缠的一种体现——并看看哪些量子比特表现最好。这只是一个开始，”Jhuria说。

ATAP部门主任CameronGeddes表示：“能够在像硅这样可大规模使用的材料中的可编程位置形成量子比特，这是朝着实用量子网络和计算迈出的令人兴奋的一步。”