硅中的铒原子可以用来构建量子网络。马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员现在已经成功地朝着这个方向迈出了重要的一步。

位于加兴的MPQ的研究人员与慕尼黑工业大学的团队一起，激发了嵌入晶体硅中的铒原子，使其发射出单光子。它们的特殊性质可以为扩展网络的发展奠定基础，这些网络将量子系统相互连接起来，一直到未来的量子互联网。这将允许通过光纤网络交换信息，并且可以证明隐私性和安全性。研究人员使用的新型系统在网络节点的生产、冷却和数据传输范围方面具有关键优势。

对量子物理现象的控制使用，如几个粒子的纠缠，使全新的技术应用成为可能，例如构建高灵敏度的量子传感器和快速量子计算机。有了这些，传统计算机无法解决的某些任务可以在短时间内完成。未来，这些量子技术可以非常有效地在量子网络中运行。马克斯·普朗克量子光学研究所 (MPQ) 和加兴慕尼黑工业大学 (TUM) 的研究人员已经证明了一个有希望实现它们的平台。

“所有量子技术都基于所谓的量子位，即量子信息的基本载体，”团队负责人 Andreas Reiserer 教授解释说。如果它们通过光相互连接，就可以创建一个量子网络，就像如今的“经典”互联网所做的那样。量子位可以是彼此隔离并嵌入固体主体材料中的单个原子。

正如 Reiserer 和他的团队最近展示的那样，这对于硅晶体中的铒原子尤其有效。现在，研究人员又向前迈出了重要的一步：他们激发单个铒原子，随后发射单个光子，这些光子具有构建量子网络的理想特性。

电信的理想条件

为此，Reiserer的研究小组在硅晶格的特定位置植入了稀土金属原子——（用技术术语来说就是:掺杂）。 “这赋予了铒原子优异的光学特性，”物理学家解释道：它们发射波长为 1536 纳米的光。这几乎与经典电信光纤网络中用于数据传输的光波长相同，因为它的特点是损耗相对较低。“这使得量子信息可以远距离传输，”Reiserer补充道。

MPQ的Andreas Reiserer 团队的博士研究员 Andreas Gritsch 表示：“为了在技术上利用铒的这些基本特性，我们必须以可控的方式刺激原子发射单个光粒子。”

现在，研究人员已经成功做到了这一点。他们使用光学谐振器（一种可以反射光并从而放大光的装置）来实现这一点。 “我们第一次生产了一种由掺铒硅制成的谐振器，”Gritsch 道。

硅芯片上的纳米光子谐振器

纳米形式的光放大器

然而，该谐振器不像大多数光学谐振器那样由镜子组成，而是由晶体硅的一种特殊结构组成:在材料中有规律地排列只有几纳米(百万分之一毫米)小的孔。整个装置只有几微米，并且只包含几十个铒原子。研究人员将其与光纤耦合，使激光进入所谓的纳米光子谐振器以激发原子。 “通过这种方式，我们能够实现具有所需特性的单个光子的发射”，Andreas Gritsch 解释道。

Andreas Gritsch 在低温恒温器中，其中掺有铒原子的硅被冷却到绝对零以上几度。

物理学家和他的团队因此提出了一种可能性，可以专门产生量子比特来传输量子信息。Reiserer说:“在晶体硅中实现这一点为实现量子网络提供了额外的机会，因为这种材料已经被用于生产经典半导体元件，例如计算机、智能手机或导航设备的微芯片。”所需的制造技术和工艺在技术上已经成熟并已在半导体行业中确立。

“这意味着对于量子技术的应用，比如量子网络的构建，硅晶体也可以以高质量和高纯度生产，”Reiserer强调说，而且成本也相当低。

MPQ 和 TUM 科学家开发的系统还有另一个优点：由于特殊的制备方法，嵌入硅中的铒原子不仅在 -273 摄氏度的绝对零温度下表现出优异的光学特性，而且在高于此温度8度下也能出现。 “而这几度的温度在实践中会产生很大的差异，”Reiserer 解释道，“因为从技术上来说，通过在低温恒温器中用液氦冷却很容易达到这样的温度。”这有助于为技术应用铺平道路。

完全防攻击

这些可能会引起处理敏感的个人数据或机密信息的金融机构、医疗机构或政府机构的极大兴趣。虽然今天即使是最好的加密也不能保证完全的安全，但量子网络将提供完美的数据保护：一旦窃听者试图拦截准备好的光子传输的信息，它们的量子特性就会丢失，数据将变得无法使用。

参考链接：https://www.mpq.mpg.de/6878043/06-erbium-dopants-single-photons