硅魔法：为未来的量子互联网提供动力

通过利用传统的半导体器件，研究人员释放了量子通信的新潜力，使我们更接近实现量子互联网的巨大潜力。

研究发现，通过利用现有的电信技术和基础设施，量子互联网的建设可以大大简化。近年来，研究人员已经发现了硅（一种广泛使用的半导体材料）的缺陷，这些缺陷具有在流行的电信波长上传输和存储量子信息的潜力。这些硅缺陷可能是有效量子通信中承载量子比特的主要竞争者。

探索硅中的量子缺陷

哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的塔尔-科因应用物理学和电气工程教授伊夫林·胡（Evelyn Hu）说：“那里仍然是一个狂野的西部。尽管新的候选缺陷是一个很有前途的量子存储平台，但对于为什么使用某些配方来创建它们，以及如何快速表征它们及其相互作用，甚至在集成中，通常几乎一无所知。最终，我们如何调整它们的行为，使它们表现出相同的特征？如果我们要从这个广阔的可能性世界中创造出一种技术，我们必须有办法更好、更快、更有效地描述它们。”

现在，胡教授和一组研究人员开发了一个平台来探测、交互和控制这些潜在的强大量子系统。该装置使用一个简单的电子二极管（半导体芯片中最常见的组件之一）来操纵商用硅晶圆内的量子比特。利用这个装置，研究人员能够探索缺陷如何对电场的变化做出反应，在电信频段内调整其波长，甚至打开和关闭它。

“如果我们要从这个广阔的可能性世界中创造出一种技术，我们必须有办法更好、更快、更有效地描述它们。”

- Evelyn Hu, Tarr-Coyne应用物理和电气工程教授

利用量子通信缺陷

SEAS的博士候选人亚伦·戴（Aaron Day）说：“在硅中发现这些缺陷最令人兴奋的事情之一是，你可以在这种熟悉的材料中使用众所周知的器件，比如二极管，来理解一个全新的量子系统，并用它做一些新的事情。”戴与哈佛大学研究员麦迪逊·苏图拉（Madison Sutula）共同领导了这项工作。

虽然，研究小组使用这种方法来表征硅中的缺陷，但它可以用作其他材料系统缺陷的诊断和控制工具。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

量子发射器和网络应用

量子缺陷，也被称为色心或量子发射体，是原本完美的晶格中的缺陷，可以捕获单电子。当这些电子被激光击中时，它们会发射特定波长的光子。研究人员对用于量子通信的硅中的缺陷最感兴趣的是G中心和T中心。当这些缺陷捕获电子时，电子会在一种被称为O波段的波长上发射光子，这种波长在电信中被广泛使用。

在这项研究中，团队专注于G中心缺陷。他们需要弄清楚的第一件事是如何制造它们。不像其他类型的缺陷，从晶格中移除一个原子，G中心缺陷是通过向晶格中添加原子，特别是碳原子来形成的。但是胡、戴和研究小组的其他成员发现，添加氢原子对于持续形成缺陷也是至关重要的。

开发量子网络工具

接下来，研究人员使用一种新方法制造电子二极管，这种方法可以在不降低缺陷或二极管性能的情况下，将缺陷最佳地夹在每个器件的中心。这种制造方法可以在一块商业晶圆上制造出数百个带有嵌入式缺陷的器件。将整个设备连接起来，施加电压或电场，研究小组发现，当负电压施加在设备上时，缺陷关闭并变暗。

戴博士说：“了解环境变化何时导致信号丢失，对于网络应用中稳定系统的工程设计非常重要。”

研究人员还发现，通过使用局部电场，他们可以调整缺陷发出的波长，当不同的量子系统需要对齐时，这对量子网络很重要。

该团队还开发了一种诊断工具，可以成像设备中嵌入的数百万个缺陷在电场作用下如何在空间中变化。

未来发展方向及商业潜力

戴博士说：“我们发现，我们为缺陷修改电环境的方式具有空间轮廓，我们可以通过观察缺陷发出的光强度的变化直接对其进行成像。通过使用如此多的发射器并获得其性能的统计数据，我们现在对缺陷如何响应其环境变化有了很好的了解。我们可以利用这些信息来告知如何在未来的设备中为这些缺陷构建最佳环境。我们对是什么让这些缺陷快乐和不快乐有了更好的理解。”

接下来，该团队的目标是使用相同的技术来了解硅中的T中心缺陷。