对量子互联网技术的研究凸显了在电信波长下产生稳定光子的挑战，而最近的研究则集中在改进材料和先进的发射技术，以提高量子网络的效率。

计算机因与互联网连接而受益匪浅，因此我们可以问：没有量子互联网的量子计算机有什么好处？

我们现代互联网的秘密在于数据能够在长距离传输过程中保持完整，而实现这一点的最佳方式是使用光子。光子是光的单个单位（“量子”）。与其他量子粒子不同，光子与环境的相互作用非常微弱。这种稳定性也使它们在长距离传输量子信息方面极具吸引力，这一过程需要长时间维持纠缠的微妙状态。可以通过多种方式产生这样的光子。一种可能的方法是利用晶体中的原子级缺陷（量子缺陷）来生成处于明确定义量子状态的单光子。

几十年的优化已经研制出了可以极低损耗传输光子的光纤电缆。然而，这种低损耗传输仅适用于波长范围很窄的光，这种光被称为“电信波长带”。已证实识别在这些波长下产生光子的量子缺陷十分困难，但美国能源部和美国国家科学基金会（NSF）提供的资金使得加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院的研究人员能够了解原因。他们在最近发表在《APL光子学》杂志上的一篇论文中描述了他们的发现。

量子发射效率

加州大学圣塔芭芭拉分校材料学教授克里斯·范德瓦勒表示：“原子在不断振动，这些振动会消耗发光体的能量。因此，缺陷可能不会发射光子，而是导致原子振动，从而降低发光效率。”范德瓦勒的团队开发了理论模型，以捕捉原子振动在光子发射过程中的作用，并研究了各种缺陷特性在确定效率程度方面的作用。

他们的工作解释了为什么当发射波长增加到超过可见光（紫色到红色）的波长，进入电信频段的红外波长时，单光子发射的效率会急剧下降。该模型还使研究人员能够识别出制造更亮、效率更高的发射器的技术。

“精心挑选宿主材料并对振动特性进行原子级工程，是克服效率低下的两种有前途的方法，”马克·图里安斯基说，他是材料科学与工程系的博士后研究员。

该项目由美国国家科学基金会 (NSF) 加州大学圣塔芭芭拉分校量子铸造厂的范德瓦勒实验室 (Van de Walle lab) 的研究员和首席研究员主导。

另一种解决方案是耦合到一个光子腔中，这种方法得益于其他两个“量子工厂”成员的专业知识：计算机工程教授Galan Moody和Moody实验室的研究生Kamyar Parto。

研究团队希望他们的模型和所揭示的洞察将对设计新型量子发射器发挥效用，而这些量子发射器将成为未来量子网络的动力之源。

参考：马克·E·图里亚斯基、卡梅尔·帕特奥、盖伦·穆迪和克里斯·G·范德瓦勒于2024年6月26日在《应用物理快报·光子学》上发表的《基于缺陷的高效量子发射器的合理设计》。DOI: 10.1063/5.0203366