原子瑕疵使量子通信网络更接近现实

由芝加哥大学分子工程研究所领导的国际团队已经发现如何沿着电信中使用的波长操纵碳化硅中光与物质之间的奇怪量子界面。

这项工作提出了将量子力学原理应用于现有光纤网络以进行安全通信和地理分布式量子计算的可能性。David Awschalom教授和他的13位合着者在6月23日的Physical Review X杂志上宣布了他们的发现。

“碳化硅目前用于制造各种各样的经典电子设备，”Ucheicago分子工程的Liew家庭教授，阿贡国家实验室的高级科学家Awschalom说。“所有的处理协议都用于制造这种材料的小量子器件。这些结果为量子物理学带入技术世界提供了一条途径。“

这些发现部分基于Awschalom在布达佩斯匈牙利科学院的共同作者所做材料的理论模型。瑞典林雪平大学的另一个研究小组开发了大部分碳化硅材料，Awschalom的团队在UChicago的实验中测试了这些材料。日本国家量子和放射科学与技术研究所的另一个团队帮助UChicago的研究人员通过用电子束照射材料来制造材料中的量子缺陷。

与经典物理学的日常世界相比，量子力学以异国情调和违反直觉的方式控制原子和亚原子水平的物质行为。这一新发现取决于碳化硅中原子级缺陷内的量子界面，它产生了脆弱的纠缠特性，这是量子力学预测的最奇怪的现象之一。

纠缠意味着两个粒子可以如此紧密地连接，使得一个粒子的状态可以立即影响另一个粒子的状态，无论它们相隔多远。

“量子力学的这种非直观性质可能被用来确保双方之间的通信不被截获或改变，”Awschalom说。

利用量子力学

Awschalom指出，这些发现增强了曾经有意外的机会，可以在已经拥有技术应用的材料中创建和控制量子态。追求这些进步的科技潜力将成为新宣布的芝加哥量子交易所的焦点，Awschalom将指导它。

新论文的一个特别有趣的方面是碳化硅半导体缺陷对于光和自旋之间的移动信息(电子的磁性)具有天然的亲和力。“一个关键的未知一直是我们是否能找到一种方法将他们的量子态转化为光，”芝加哥大学的博士后学者，该作品的第一作者大卫克里斯托尔说。“我们知道应该存在轻物质界面，但我们可能不幸，并发现它本质上不适合产生纠缠。我们非常幸运，光学过渡和将旋转转换为光的过程具有非常高的质量。“

缺陷是一个缺失的原子，导致材料中的附近原子重新排列它们的电子。缺失的原子或缺陷本身创造了一种电子状态，研究人员用可调红外激光控制。

“质量基本上意味着：在你破坏旋转的量子状态之前，你能得到多少光子?”纽约Yorktown Heights的IBM Thomas J. Watson研究中心的研究员Abram Falk说道。与工作但不是纸上的共同作者。

UChicago研究人员发现，在它们破坏自旋状态之前，它们可能会产生多达10,000个光子或光束。“对于你可以用这些类型的缺陷状态之一做什么，这将是一项世界纪录，”福尔克补充道。

Awschalom的团队能够将商业晶圆碳化硅中的单电子自旋的信息量子状态转化为光，并以大约95%的效率读出。

毫秒一致性

Awschalom团队实现的自旋状态 - 称为连贯性的持续时间是一毫秒。时钟标准并不多，但在量子态领域却相当多，其中多次计算可以在纳秒或十亿分之一秒内完成。

这一壮举为碳化硅开辟了新的可能性，因为其纳米级缺陷是寻求将量子力学特性用于量子信息处理，利用纳米级分辨率感测磁场和电场以及温度以及使用光进行安全通信的新技术的领先平台。

“有大约10亿美元的电力电子产业建立在碳化硅上，”福尔克说。“通过这项工作，我们有机会建立量子通信平台，利用半导体行业中这些非常先进的经典设备，”他说。

研究量子应用缺陷的大多数研究人员都关注钻石中的原子缺陷，这已成为这些技术的流行可见光测试平台。

“钻石一直是量子控制工作的巨大产业，”福尔克指出。全国各地的数十个研究小组花了十多年的时间来完善材料，以达到Awschalom集团在经过几年调查后已经掌握的碳化硅标准。

碳化硅的多功能性

“有许多不同形式的碳化硅，其中一些现在常用于电子和光电子学，”Awschalom说。“量子态存在于我们探索过的所有形式的碳化硅中。这预示着将量子力学效应引入电子和光学技术。“

Falk指出，研究人员现在开始怀疑这种物理学是否也适用于其他材料。

“此外，我们能够理性地设计出一种具有我们想要的特性的缺陷，而不仅仅是偶然发现它们吗?”他问道。

缺陷是关键。

“几十年来，电子行业已经提出了各种各样的技巧来消除设备中的所有缺陷，因为缺陷经常会导致传统电子设备出现问题，”Awschalom解释说。“具有讽刺意味的是，我们正在将缺陷重新纳入量子系统。”