量子物理现象（量子纠缠、态叠加原理和坍缩等）的受控使用可以实现全新的技术应用，比如高灵敏度的量子传感器或者高速量子计算机。如果实现这一目标，传统计算机无法解决的某些任务就可以在短时间内完成。德国加尔兴马克斯·普朗克量子光学研究所和慕尼黑工业大学（TUM）的联合研究团队设计了一种掺铒硅晶体，可以发射波长为1536nm的单光子。该成果以“Purcell enhancement of single-photon emitters in silicon”为题发表在Optica上（ DOI: 10.1364/OPTICA.486167）。单光子发射源可以用于未来的量子网络，从而实现多个量子计算机之间的计算。
图1 纳米光子硅芯片中的铒掺杂用可产生与现有光纤通信设备兼容的波长的光子
团队负责人 Andreas Reiserer 教授表示，所有的量子技术都基于量子比特，即量子信息的基本载体。如果它们通过光相互连接，就可以创建一个量子网络，类似于今天在“经典”互联网中所做的事情。量子比特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 及其团队所展示的那样，这对于硅晶体中的铒原子非常有效。如今，研究人员又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。
为此，研究人员将稀土金属原子（铒）注入硅晶格的特定位置。他们表示，这赋予了铒原子优异的光学特性，它们发射波长为 1,536 nm，这几乎与传统电信光纤网络中用于数据传输的光波长一样，这种光的特点是损耗相对较低，由此量子信息能够实现长距离传输。
团队的博士研究员 Andreas Gritsch称，为了在技术上利用铒的这些基本特性，他们必须以受控的方式刺激原子发射单个光子，从而创建一个用于发送或接收量子信息的接口。如今，该团队已经成功实现了这一点。为此，他们利用了光学谐振器——一种可以反射光并实现放大光的装置。研究人员表示，他们所设计的由掺铒硅制成的谐振器不像大多数光学谐振器那样由各种透镜或反射镜组成，而是利用了晶体硅的特定结构——尺寸仅为几nm的规则排列的孔。整个谐振器的尺寸只有几微米，并且只包含几十个铒原子。它被用来与光纤耦合，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光子发射，”Andreas Gritsch 解释道。
图2 硅芯片上的纳米光子谐振器
该团队有望创造出一种专门生成用于量子信息传输的量子比特。Reiserer称，实际上，这在晶体硅中是有可能的，为实现量子网络提供了机会。因为这种材料几十年来一直用于生产经典的半导体元件，例如用于计算机、智能手机或导航设备的微芯片 。
关键的是，所需的制造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应用，例如量子网络的构建，硅晶体也可以以高质量和纯度生产，而且价格相当便宜，”Reiserer 强调。该研究的另一个优点是，由于采用特殊的制备方法，嵌入硅中的铒原子不仅在绝对零度下表现出优异的光学特性，而且在高于这一标准温度8℃的温度下也是如此。虽然只有几摄氏度的差异，但在实际应用中却有很大的不同。因为该温度在技术上很容易通过在低温恒温器中用液氦冷却来实现。
这项研究有望引起金融机构、医疗机构或政府机构的极大兴趣。因为当下即使是最好的加密系统也不能完全确保数据的安全，但量子网络却可以实现。一旦窃听者试图拦截光子传输的信息，它们的量子特性就会丢失，数据就会立马失效。
