Sandia国家实验室联手哈佛大学打造世界上第一架量子计算机桥

通过在金刚石基体中强力嵌入两个硅原子,Sandia 实验室的研究人员首次展示了用于建立一架连接量子计算机的一个单一芯片所需要的所有部件。相关论文发表在最新的《科学》杂志上。


「有人已经建立了小型的量子计算机,」Sandia 的研究员 Ryan Camacho 说,「但是第一台实用性的量子计算机或许不是大型的那种,而是由许多小型机连在一起的量子计算集群。」



这张量子桥图展示了金刚石中的一系列孔,孔与孔之间嵌有两个硅原子。


在一架桥或一个网络上分布量子信息也可以形成全新的量子传感形式,因为量子关联允许网络中所有的原子表现出貌似只有单个原子的状态。


这项与哈佛大学合作的成果使用了一个聚焦离子束注入机(focused ion beam implanter),它由 Sandia实验室 下的离子束实验室设计,用于保证金刚石基板上的单离子爆破在精确位置。Sandia 的研究员 Ed Bielejec、 Jose Pacheco 与 Daniel Perry 使用注入的方式将金刚石的一个碳原子替换成较大的硅原子,挤压任意一边上两个碳原子,让它们逃离。这使得硅原子占有大部分空间,通过邻近的非导电空缺来缓冲杂散电流。


即便这些硅原子被嵌入金刚石,它们的行为还是像在空气中漂浮一般,因此它们的电子对量子刺激的反应就不会被其他不需要的物质所笼罩。


「我们完成的是将硅原子精准放进我们想要的位置点,」Camacho 说。「我们可以创造出数千个注入点,都能产生出能够工作的量子设备,因为我们将原子很好 注入了金刚石基板表面之下,并将它们就地退火。在此之前,研究员们必须在几微米的金刚石基板上从大约 1000 个随机出现的缺陷中搜到发射原子(emitter atoms)——非碳原子——哪怕是仅仅一个发射足够强的,能在单光子水平上是有用。」


一旦这些硅原子被放置到金刚石基板中,激光产生的光子就会碰撞出硅电子,进入下一个更高的原子能状态;当电子返回到较低的能量状态时,因为所有的东西都寻求尽可能低的能量水平,他们喷出携带信息的并按照它们的频率、密度和波的偏振来量化的光子。


「哈佛大学研究员做了这个实验,同时也做了光学和量子的测量,」Camacho 说。「我们造出了这个全新的设备,并用聪明的办法精确计算出有多少离子注入了金刚石基板。」


Sandia 的研究员 John Abraham 及其同事开发出的特殊的探测器——金刚石基板上的金属薄膜,展示了通过测量单离子产生的电离信号成功实现了离子束注入。


论文:一个集成的金刚石纳米量子光学网络平台( An integrated diamond nanophotonics platform for quantum optical networks)




摘要:光子和量子发射器(quantum emitters)之间的有效接口构成了量子网络的基础,也使得在单光子水平上的光学非线性成为可能。我们展示了一个集成平台,基于硅空位 (silicon-vacancy,SiV) 色心的可扩展量子纳米光子学耦合金刚石纳米元件。通过取代金刚石光子晶体洞中的 SiV 中心,我们实现了通过单色心控制量子光学开关。我们使用 SiV 亚稳态(metastable state)控制该开关,并在单光子水平上观察光学开关。拉曼跃迁(Raman transitions )被用来实现在金刚石波导中的可调频率和带宽的单光子源。通过测量难辨别的拉曼光子排放到单波导的强度相关性,我们观测超辐射发射两个纠缠 SiV 色心带来的量子干涉效果。


产业量子计算哈佛大学工程
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