半导体新的春天？研究表明，硅量子比特也可以构建量子互联网

量子互联网需要大规模制造的长寿命、电信波段的光子-物质相互作用。硅是实现商业规模的固态量子技术的理想载体：目前已搭建全球集成光子学和微电子行业等先进平台，也实现了最长寿命的自旋量子比特。尽管硅量子平台潜力巨大，但其中可单独寻址的光子-自旋接口的光学观测仍难以实现。

现在，加拿大西蒙菲莎大学的Stephanie Simmons研究团队在集成硅光子结构中产生了数万个可单独寻址的“T中心”光子自旋量子比特，并原理性证明其是硅中的一种特定发光缺陷，可以在量子比特之间提供“光子链接”。为搭建硅集成的电信波段量子信息网络提供了直接机会。

7月13日，相关研究成果以《硅中单自旋的光学观测》为题[1]发表在《自然》杂志上。

“这项工作是首次孤立地测量单个“T中心”，实际上，这是第一次仅使用光学测量来测量硅中的任何单个自旋。”该研究的通讯作者Stephanie Simmons表示[2]，T中心还具有以与当今城域光纤通信、电信网络设备相同的波长发光优势。

她说：“像‘T中心’这样的发射器结合了高性能自旋量子比特和光学光子生成，非常适合制造可扩展的分布式量子计算机，因为它们可以一起处理和通信，而不需要连接两种不同的量子技术：一种用于处理，一种用于通信。”

硅晶格中的单个“T中心”量子比特（渲染），它支持有史以来在硅中被光学观察到的第一个单自旋。“T中心”的组成成分（两个碳原子和一个氢原子）显示为橙色，可光学寻址的电子自旋呈淡蓝色。

研究人员在“T中心”中产生了光子自旋量子比特。“T中心”是硅中的一种特定发光缺陷（一类辐射破坏中心，已知会发出近红外电讯波段的光），可以在量子比特之间提供“光子链接”。

（a）“T中心”化学结构；（b）“T中心”的电子水平结构。两个能量最低的约束缚激子态是TX₀和TX₁。磁场中，在基态未成对电子和激发的TX₀电平的未成对空位自旋态之间有四个自旋依赖性光转换，标记为A、B、C、D；（c）块状天然硅（蓝色）、SOI晶圆（橙色）和图案化SOI中共聚焦测量的光致发光（PL）光谱（绿色，仪器分辨率有限）。

这可以应用于形成量子互联网：T中心具有以与当今光纤通信和网络设备中使用的相同波长的光发射的优点。团队表示[3]，“使用T中心可以构建与其他处理器进行固有通信的量子处理器，当硅量子比特可以通过在数据中心、光纤网络中使用的同一频段发射光子来进行通信时，就可以获得连接量子计算所需的数百万个量子比特的相同好处。”

除此之外，研究人员还在硅晶圆上生产了数以万计的“微型圆盘”，使用特殊的显微镜技术来证实这些微小器件中的每一个都有少量的“T中心”，可以单独寻址和控制。

在量子计算机中使用硅是一个有吸引力的前景，因为全球半导体行业已经能够大规模廉价地制造高精度硅计算机芯片。结合已有技术，此次发现有利于更顺利地向大规模量子计算过渡。

“通过找到一种在硅中创建量子计算处理器的方法，可以利用用于制造传统计算机的所有多年发展、知识和基础设施，而不是为量子制造创建一个全新的行业，这代表了量子计算机国际竞赛中几乎不可逾越的竞争优势。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

[2]https://www.tomshardware.com/news/breakthrough-in-silicon-qubits-photonics-accelerates-quantum-internet

[3]https://cosmosmagazine.com/technology/quantum-internet-silicon/