量子计算机的速度是世界上一些最快的超级计算机的数百万倍，有潜力解决人类健康、药物发现和人工智能方面的复杂问题，量子计算机网络可以更快地推进这些发现。但在这之前，计算机行业将需要一种可靠的方法，以原子精度将数十亿量子位（或量子位）串在一起。然而，连接量子位对研究界来说一直是一项挑战。一些方法通过将整个硅片放置在非常高的温度下的快速退火炉中来形成量子位。通过这些方法，量子位从硅晶格中的缺陷（也称为色心或量子发射器）随机形成。如果不知道量子位在材料中的确切位置，连接量子位的量子计算机将很难实现。
但现在，让量子位连接起来可能很快就会成为可能。劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一个研究小组表示，他们是第一个使用飞秒激光通过在硅中掺杂氢，按需精确地创建和“湮灭”量子位的人。这一进展可以使用可编程光学量子位或“自旋光子量子位”的量子计算机能够通过远程网络连接量子节点。它还可以推进量子互联网，该互联网不仅更安全，而且可以传输比当前光纤信息技术更多的数据。
伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的博士后学者Kaushalya Jhuria说：“为了制造一个可扩展的量子架构或网络，我们需要能够在所需位置可靠地按需形成量子位，这样我们就知道量子位在材料中的位置。这就是为什么我们的方法至关重要。她是《自然通讯》杂志上描述这项技术的一项新研究的第一作者。因为一旦我们知道一个特定的量子位在哪里，我们就可以确定如何将这个量子位与系统中的其他组件连接起来，并形成量子网络。”
伯克利实验室ATAP部门聚变科学与离子束技术项目负责人、首席研究员Thomas Schenkel表示：“这可能为工业界开辟一条潜在的新途径，以克服量子位制造和质量控制方面的挑战。他的团队将于6月接待夏威夷大学的第一批学生，这是美国能源部聚变能源科学资助的RENEW劳动力发展项目的一部分，学生们将沉浸在色彩中心/量子位科学技术中。
用可编程控制在硅中形成量子位这种新方法利用气体环境在硅中形成称为“色心”的可编程缺陷。这些色心是特殊电信量子位或“自旋光子量子位”的候选者。该方法还使用超快飞秒激光对硅进行精确退火，精确到这些量子位应该精确形成的位置。飞秒激光在万亿分之一秒内向一个尘埃大小的聚焦目标提供非常短的能量脉冲。
自旋光子量子位发射的光子可以远距离携带电子自旋编码的信息，这是支持安全量子网络的理想特性。量子位是量子信息系统中最小的组件，可以编码三种不同状态的数据：1、0或1到0之间的叠加。在伯克利实验室材料科学部的科学家、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学（EECS）教授Boubacar Kanté的帮助下，该团队使用近红外探测器通过探测其光学（光致发光）信号来表征产生的色心。他们发现的东西让他们大吃一惊：一个叫做Ci中心的量子发射器。由于其简单的结构、室温下的稳定性和有希望的自旋特性，Ci中心是一个有趣的自旋光子量子位候选者，可以在电信波段发射光子。Jhuria说：“我们从文献中知道Ci可以在硅中形成，但我们没想到用我们的方法真正制造出这种新的自旋光子量子位候选者。”。
研究人员了解到，在氢气存在的情况下，用低飞秒激光强度处理硅有助于产生Ci色心。申克尔解释说，进一步的实验表明，增加激光强度可以增加氢的迁移率，从而在不损坏硅晶格的情况下钝化不希望的色心。伯克利实验室分子铸造厂的科学家梁谭进行的一项理论分析表明，在氢的存在下，Ci色心的亮度提高了几个数量级，这证实了他们在实验室实验中的观察结果。Jhuria说：“飞秒激光脉冲可以将氢原子踢出或带回，从而在精确的位置可编程地形成所需的光学量子位。”该团队计划使用该技术将光学量子位集成到反射腔和波导等量子器件中，并发现新的自旋光子量子位候选者，其特性针对选定的应用进行了优化。Jhuria说：“现在我们可以可靠地制造色心了，我们想让不同的量子位相互交谈——这是量子纠缠的一个体现——看看哪些量子位表现最好。这只是一个开始。”ATAP部门主任Cameron Geddes表示：“在硅等材料的可编程位置形成量子位的能力是朝着实用量子网络和计算迈出的令人兴奋的一步。”。
该研究的理论分析是在伯克利实验室能源部国家能源研究科学计算中心的支持下进行的QIS@Perlmutter程序分子铸造厂和NERSC是美国能源部伯克利实验室的科学办公室用户设施。这项工作得到了美国能源部聚变能源科学办公室的支持。
