为了寻求实现量子网络的新技术，哈佛大学的研究人员开发了一种新的基于激光的策略，用于制造单原子、近表面材料缺陷，可用于形成量子计算的最基本单元量子位。该团队还发现了一种实时方法，用于测量和表征纳米级空腔内光学发射器的形成。
哈佛大学研究人员在Nature Materials上报道了这一进展，可以更好地控制量子位输出的时间和强度。
“这些本质上是‘有缺陷’的材料；在原本完美的晶体结构中没有原子或空位，”该论文的作者Hu说。“空位有自己的电子态，有一定的自旋，有可能发射特定波长的光子。”
这些缺陷和它们发出的光的波长有时被称为色心，因为它们可以给钻石和其他晶体带来美丽的颜色。但在折射、控制或操纵光的光子材料中的纳米级空腔内，这些缺陷可以像信息的光学发射器一样发挥作用。
该论文的共同第一作者Aaron Day表示：“我们的团队对这些缺陷的形成以及它们如何在量子网络中表现为量子位非常感兴趣。通过纠缠将缺陷阵列耦合到纳米光子腔中，可以传输量子信息。”
然而，到目前为止，还没有办法在不破坏材料晶体结构其余部分的情况下完全控制光学发射器在纳米级空腔中的确切位置。
通常，在这种比头发宽度小100倍的空腔内创建发射器的过程需要使用离子或带隙以下的激光器破坏材料的晶体结构。（带隙是指激发材料电子使其能够自由传导电流所需的最小能量。）但大多数实验室都没有离子注入设备。Hu说，这两种传统技术都是对动能的“蛮力”使用，效率低下，难以控制，更像是喷砂而不是小心钻孔。
“为了做我们想做的事情，我们知道我们需要开发一些非常精确的仪器，”Hu说。
该团队将他们的解决方案比作手写笔和模板，使用激光（手写笔进行书写）和空腔（书写的模板）来形成和表征空位的形成。Day说：“我们想使用带隙以上的光脉冲来实现这一点”——比带隙以下的激光器含有更多的光子能量——“以更有效地将能量从激光‘触笔’转移到材料‘模板’。”。
首先，Day and Dietz在一个干净的房间里用商业级碳化硅制造了纳米光子腔器件，这是一项耗时且艰苦的工作。然后，他们进行了实验，试图在空腔内的确切位置创建光学发射器。
Day说：“一开始，我们的激光脉冲基本上是在炸毁我们的空腔。”这一结果远非理想。“我们需要大幅减少激光的能量。”
通过反复试验，他们确定了创建所需发射器需要多少能量和多少能量，同时保留空腔的其余部分而不引起“爆炸”。他们还在系统中内置了一个额外的“读出”激光器，使他们能够评估空腔在被缺陷形成激光器脉冲前后发出的共振或光子信号。
Day说：“我们发现的最酷的事情之一是，我们可以监测空腔，做一个激光脉冲来创建光学发射器，然后读取空腔的即时变化。”
Dietz说：“我们工作中最令人兴奋的潜力是创造可扩展数量的量子位。一种实时创建和评估发射器的方法可以更容易地选择具有正确特性的空腔，并可靠地将其转化为量子信息的宿主。”
Day补充道：“当我们在空腔内形成缺陷时，我们可以使用这些空腔立即告诉我们有关局部材料环境的信息，将其用作‘纳米显微镜’来探测原子缺陷的特征。”。“将这种新型激光手写笔与使用腔谐振为我们提供实时反馈的模板相结合，使我们能够无缝地编写和改进设备。这两种工具加在一起比单独使用更强大。”
