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来自美国的一组研究人员率先将具有特殊光学特性的铒原子集成到硅晶体中 ， 因此 ， 原子可以通过常用的波长的光连接起来 ， 这使得它们成为未来量子网络的理想构建块 ， 这些量子网络能够使用多台量子计算机进行计算 ， 并在量子互联网中安全地交换数据 。 由于新的实验结果是在没有复杂冷却的情况下获得的 ， 并且是基于既定的半导体生产方法 ， 因此该方法也适用于大型量子网络 。
当量子计算机连接到网络时 ， 类似于由相互连接的经典计算机组成的互联网 ， 这样的量子网络可以通过使用光将量子信息的各个载体（即所谓的量子比特）相互纠缠来实现 。 反过来 ， 量子比特可以由相互隔离并嵌入主晶体中的单个原子构建 。 美国和德国科学家们已经证明了一种利用硅晶体中的原子构建量子网络的可行方法 ， 这意味着经典计算机中采用的相同技术也可以用于量子计算机及其网络 。
这项新技术依赖于在非常特定的条件下注入硅晶格的铒原子 。 科学家门解释说：“我们从早期的实验中知道 ， 铒在这种应用中具有良好的光学性能 。 这种稀土元素的原子发射的红外光波长约为1550纳米 ， 这是光纤电缆中数据传输的光谱范围 ， 它在光导纤维中传播期间表现出低损耗性能 。 此外 ， 铒发出的光具有极好的相干性 ， 这意味着各个波列彼此处于稳定的相位关系 ， 这是量子信息存储和传输的先决条件 ， 这些特性使铒成为实现量子计算机或在量子网络中用作信息载体的首选 。 ”
【美国科学家成功将铒原子添加到硅中，这是未来量子网络的主要候选】不过 ， 这听起来很简单 ， 却给MPQ研究人员带来了棘手的技术挑战 。 除此之外 ， 该团队还必须以目标明确且可重复的方式将稀土元素的各个原子嵌入晶体基质中 ， 并将其固定在相对于硅原子的特定位置 。 这位物理学家解释道：“我们之所以选择硅 ， 是因为它已经用于构成我们信息社会基础的经典半导体 ， 现有工艺可用于制备高质量和高纯度的硅晶体 。 ”
用技术术语来说 ， 要将铒原子集成到这样的晶体中 ， 首先必须赋予它纳米级的精细结构 ， 它们用作光导元件 。 然后 ， 科学家们用铒离子束照射硅 ， 使单个原子在高温下穿透并分散到不同的地方 。 该团队的一位博士研究生表示：“与通常的程序不同 ， 我们没有将芯片加热到1000度 ， 而是最高加热到500摄氏度 。 相对温和的温度可以帮助单个铒原子在晶格中的特别稳定的整合 ， 而没有更多的原子聚集在一起 。 这表现在铒发射红外光时异常狭窄的光谱线上 ， 大约10千赫兹 ， 这是迄今为止在纳米结构中测得的最小光谱线宽度 ， 也是构建量子网络的一个有利特性 。 ”
这次为掺杂硅晶体而优化的方法还有另一个特点：引入的铒原子的优异光学特性不仅表现在零下273摄氏度的绝对零度附近 ， 就像之前的实验一样 。 相反 ， 它们也可以在大约8开尔文（绝对零度以上）的量子现象中被认为“高”的温度下观察到 。 科学家们解释说：“这样的温度可以通过在低温恒温器中用液氦冷却来实现 ， 这在技术上很容易实现 ， 并为未来的应用铺平了道路 。 ”
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