为了寻求实现量子网络的新突破，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS) Evelyn Hu及其团队成功利用激光实现了单原子、近表面材料缺陷，这些缺陷可用于生成量子计算的基本单位——量子比特。

　　另外，他们还发现了一种实时测量和表征纳米级微腔光学发射器形成的方法，能够有效地控制量子比特输出的时间和强度。

　　该成果以“Laser writing of spin defects in nanophotonic cavities”为题发表在Nature Materials 上(DOI: 10.1038/s41563-023-01544-x)。

　　论文第一作者Hu表示，这些缺陷的本质上是在一个完美的晶体结构中缺少了一个原子，形成了一个空位，从而构成了缺陷态。

　　每个缺陷都有自己的电子态，有一定的自旋，能够发射特定波长的光子。

　　材料中对特定波长产生选择性吸收的缺陷部位被称为色心，因为它可以使得钻石或者其他晶体呈现出绚丽的颜色。

　　不过如果是在光子材料的纳米微腔中，这些色心可以对光进行折射或者调控，能够像信息的光发射器一样发挥作用。

　　论文共同一作Aaron Day称，他们对这些缺陷的形成以及它们如何在量子网络中作为量子比特表现出来非常感兴趣。

　　因为通过纠缠在纳米光子腔中耦合一系列缺陷能够实现量子信息的传输。

　　然而，目前为止，还没有办法在不破坏材料其余晶体结构的情况下，完全控制纳米微腔中光学发射器的精确位置。

　　一般而言，在尺度只有人类头发丝百分之一的空腔中知道光发射器的过程需要使用离子或带隙(导带的最低点和价带的最高点的能量之差)以下激光破坏材料的晶体结构，但大多数实验室都没有离子注入设备。

　　Hu认为，这两种传统技术都是对动能的“暴力”使用，不仅效率低下，而且难以控制。

　　因此，该团队设计了一种新的方法。

　　他们将解决方法比作手写笔和模板，使用激光(手写笔)和空腔(书写的模板)来实现空位的形成和表征。

　　“我们想利用带隙以上的光脉冲(比带隙以下的激光含有更多的光子能量)来实现这一目标，以更有效地将能量从激光‘触针’转移到材料‘模板’”，Day说道。

　　研究人员首先在超净实验室里用商业级碳化硅制造纳米光子腔，该过程比较耗时且复杂。

　　然后在空腔内的目标位置制作光学发射器。

　　Day讲道，“一开始，我们的激光脉冲炸毁了腔体，结果非常不理想，因此需要大幅降低激光的能量”。

　　因此通过反复试验，他们确定了需要多少能量来设计理想的发射器，同时保留腔体的其余部分，而不会造成“爆炸”。

　　同时，研究人员还在系统内中内置了一个额外的“读出”激光器，使他们能够评估谐振或光子信号。

　　他们认为最令人兴奋事情之一就是可以监测腔体，利用一个激光脉冲来构造光学发射器，然后读出腔体的即时变化。

　　Dietz表示，该研究最具潜力的地方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使得选择具有正确属性的腔体并可靠地将其转化为量子信息的宿主变得更加容易。

　　“当我们在空腔内形成缺陷时，我们可以利用这些空腔立刻得到有关局部材料环境的信息，并将其用作'纳米显微镜'来探测原子缺陷的特征，”Day补充道。