鉺原子首次集成到硅晶體內

科技日報北京11月9日電 （記者劉霞）德國科學家首次將擁有特殊光學特性的鉺原子集成到硅晶體內，這些原子可通過通信領域常用的光連接起來，使其成為未來量子網絡的理想構建塊。最新實驗結果在沒有複雜冷卻的條件下獲得，且基於現有硅半導體生產工藝，因此適用於構建大型量子網絡。相關研究刊發於最新一期《物理評論X》雜誌。

量子網絡可通過使用光讓量子信息的各個載體——量子比特相互糾纏來實現，而量子比特可由相互隔離並嵌入主晶體中內的單個原子構建。在最新研究中，來自馬克斯·普朗克量子光學研究所和慕尼黑技術大學的科學家展示了一種利用嵌入硅晶體內的原子構建量子網絡的可行方法。

最新技術依賴於在特定條件下注入硅晶格的鉺原子。研究表明，鉺具有良好的光學性能，其原子發射出的紅外光波長約為1550納米，位於光纖電纜中傳輸數據的光譜範圍，且鉺在光導纖維中傳播時損耗較低。此外，鉺發出的光具有極好的相干性，這是實現量子信息存儲和傳輸的先決條件。這些特性使鉺成為實現量子計算機或在量子網絡中用作信息載體的首選。

但面臨的巨大挑戰是必須以可重複的方式將鉺的各個原子嵌入硅晶體基質內，並將其固定在特定位置。為此，研究人員首先賦予鉺原子納米級精細結構，然後用鉺離子束照射硅，使單個原子在高温下穿透並分散到硅晶體內不同地方。

相對温和的温度使各個鉺原子在晶格中穩定地“各就各位”，而非聚集在一起。而且，在此前實驗中，鉺原子在絕對零度（零下273.15攝氏度）附近表現出優異光學特性，但最新研究中，科學家在約8開爾文（零下265.15攝氏度）觀察到了這些特性，這樣的温度在技術上很容易實現，也為未來的應用鋪平了道路。