量子信息处理依赖于相互作用的量子比特（量子信息的基本构建块）来执行计算任务。科学家们正在寻找能够更高效、更准确、尽可能快速地执行操作的最佳量子比特平台。除了将量子处理系统与量子网络接口化的附加目标外，能够在长寿命物质量子比特和光子之间产生纠缠的系统是最理想的，这样可以实现未来量子互联网节点间的低损耗和快速接口。量子比特可以通过超导电路、困禁的原子和离子，甚至是固体中的缺陷来制造。量子信息被编码在物理系统的某个自由度上，比如离子的电子态，当离子处于基态时为“0”，当离子处于激发态时为“1”。由于它是一个量子系统，量子比特还可以处于这两个状态的任意叠加态。一些量子比特还可以相互作用，例如通过与其状态相关的电场或磁场。在过去的几年里，在固态自旋中实现的量子比特引起了广泛关注。这些量子比特自然地被困在固体的基质中，如钻石或硅酸盐晶体，如果它们彼此靠近，它们可以相互作用，从而形成所谓的量子比特-量子比特门。通过发射光子可以读出其中许多比特门，从而产生自旋-光子纠缠。

 

 

一张靠近镜子形成微腔的光纤的特写。图片来源：ICFO/E. Beattie

 

区分整体中的单个离子

 

       然而，这些要求正在将实验推向不同的方向。在固体中找到单个量子比特需要低自旋浓度的基质，以确保它们都可在光谱上分离，并且可以单独寻址。与此同时，这种低密度会增加自旋之间的平均距离，导致离子之间的相互作用减弱，而这是量子比特-量子比特门的必要工具。近年来，研究人员发现稀土离子掺杂的晶体为光与物质相互作用的研究提供了强大的系统和可靠的平台。这些离子被囚禁在固态基质中，具有较长的相干时间和可以编码量子位的不同基态。此外，相邻离子通过偶极-偶极相互作用彼此相互作用。如果人们能够研究和分析晶体的一小区域，该区域小到足以容纳适合数量的原子进行单离子检测，同时不影响密度，那么所有所需的条件都将得到满足。西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员 Chetan Deshmukh、Eduardo Beattie、Bernardo Casabone 和 Samuele Grandi 在 ICFO Hugues de Riedmatten教授的领导下，与巴黎化学研究所的研究人员 Diana Serrano、Alban Ferrier 和 Philippe Goldner 以及卡尔斯鲁厄理工学院的 David Hunger 合作提出了一种巧妙的方法来实现这一目标。他们首次演示了如何在与光纤-微腔耦合的纳米颗粒中寻址和检测单个稀土离子的实验，这使得光与物质相互作用更加高效。在他们的实验中，使用的离子是在通信波长下发射单光子的铒离子，并且其体积比以前的实验结果小两个数量级。这项研究成果已经发表在《Optica》期刊上。

 

 

自制的纳米定位器的实物图，可以在镜子表面的三个维度上移动光纤。图片来源：ICFO/E. Beattie

 

不远也不近

 

       当你尝试激发一个过于密集的离子集合时，给定离子的激发频率将与其他离子的激发频率非常接近，以至于它们的光谱会重叠。在这种情况下，激发一种离子必然也会激发其他离子。这阻碍了处理单个离子的可能性。然而，在纳米颗粒中，离子的密度可以保持较高水平，因为体积大大减小，因此离子的总数是有限的。虽然离子之间的平均物理距离仍然很近，但它们的频率之间的差异足够大，使它们可以被完全区分开来。然后在纳米颗粒内可以找到一个完整的相互作用离子群，这可能成为一个小型的量子信息处理系统。现在，在他们的实验中，研究人员首先制备了平均直径为 150 nm 的掺杂铒离子的纳米颗粒，其中每个纳米颗粒含有大约 1000 个铒离子。然后，他们将纳米颗粒放在一面镜子上并将其冷却至约 6 K。该镜子充当光学腔的一部分，另一部分是在光纤上制造的曲面镜。镜子和光纤都可以在三个维度上移动，从而可以选择分散在广泛区域内的任意纳米颗粒。当光纤与纳米颗粒对齐时，形成微腔。铒离子被 1,535 nm 的激光激发，并通过光纤腔收集它们的发射光。该微腔增加了光与物质之间的相互作用，通过珀塞尔效应加速离子的发射，并提高了收集效率。研究人员测量出离子的发射增加了一百多倍，其中超过99％处于腔模式中。

 

       通过观察离子群的荧光信号，他们能够看到纳米颗粒中不同的明亮且窄的发射峰，专注于其中一个峰值，他们试图确定这是否确实是一个单个发射源。首先，研究人员寻找的第一个迹象是随着激发功率的增加，探测到光子的概率出现饱和。这是因为离子必须处于激发态才能衰变并发射光子。然而，离子不会立即衰变，而是在特定时间（称为其寿命）之后衰变。这限制了离子可以被激发的次数，从而限制了其发射的概率。在这种情况下，研究人员能够检测到这种效应并对其进行测量，但他们发现只需每个腔寿命在腔内饱和离子约为10-2个光子，这证明了光与物质之间有很强的相互作用。然而，单个离子最明显的特征是它一次只能发射一个光子。因为单光子流不能同时检测，可以通过将离子的发射平均分配给两个探测器，并检查只有一个探测器会在任何给定时间发出点击信号，以验证这个特性。作者也证实了这一特性，为他们确实检测到单个离子的发射提供了最终确凿的证据。

 

       该研究的第一作者、ICFO 联合研究员 Eduardo Beattie 表示：“这项研究的结果可能为实现在纳米尺度体积中使用数百个量子比特的量子处理器提供一种新的方式，这些量子比特可以被单独检测和操纵，并有效地耦合到单光子以实现量子网络”。正如 ICFO Hugues de Riedmatten 教授总结的那样：“纳米颗粒中的单个稀土离子提供了多种可能性：铒离子可以提供通信量子比特来连接量子处理器，而其他离子可以提供处理量子比特。此外，我们开发的全光纤集成系统是实现未来量子硬件的重要一步。”

 

      消息来源：https://phys.org/news/2023-11-ions-nano-sized-particles-platform-quantum.html

      [1]Chetan Deshmukh et al, Detection of single ions in a nanoparticle coupled to a fiber cavity, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.491692