纳米粒子中的单离子量子信息处理的新平台

处理量子信息依赖于相互作用的量子位(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。

考虑到将量子处理系统与量子网络连接起来的额外目标，能够在长寿命物质量子位和光子之间产生纠缠的系统是最理想的，从而允许未来量子节点之间的低损耗和快速接口互联网。

量子位可以用超导电路、捕获的原子和离子，甚至固体中的缺陷来制造。量子信息以物理系统的自由度编码，例如离子的电子状态，例如，如果离子处于基态，则为“0”;如果离子处于激发态，则为“1”。因为它是一个量子系统，所以量子位也可以处于这两种状态的任意叠加。一些量子位还可以彼此相互作用，例如通过取决于其状态的电场或磁场。

在过去的几年里，在固态自旋中实现的量子位引起了很多关注。量子位自然地被困在固体基质中，例如金刚石或硅酸盐晶体，如果彼此靠近放置，它们可以相互作用，从而形成所谓的量子位-量子位门。许多还可以通过光子的发射来读出，从而产生自旋光子纠缠。

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。在固体中寻找单个量子位需要一个自旋浓度较低的矩阵，以确保它们全部在光谱上分离，然后可以单独寻址。同时，如此低的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较低，这是量子位-量子位门的必要工具。

近年来，研究人员发现稀土离子掺杂晶体为光与物质相互作用提供了强大的系统和可靠的平台。离子被捕获在固态矩阵中，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部分区域，该区域小到足以包含适合单离子检测的许多原子，同时不影响密度，那么所有所需的条件都将得到满足。

他们报告了第一个演示，展示了如何在纳米粒子内的原子集合中处理和检测单个稀土离子，该纳米粒子已耦合到光纤微腔，从而实现有效的光与物质相互作用。在他们的实验中，使用的离子是在电信波长发射单光子的铒离子，并且封装在比以前实现的体积小两个数量级的体积中。

自制的纳米定位器用于在镜子表面上以三个维度移动光纤。图片来源：ICFO/E。贝蒂

不太远，也不太近

当您尝试激发过于密集的离子群时，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。在这些条件下，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，因为体积大大减小，因此离子的总数受到限制。虽然离子之间的平均物理距离仍然很短，但它们的频率之间的差异足够大，实际上可以完全区分它们。然后可以在纳米粒子内部发现相互作用的离子的完整星座，这可以成为一个小型量子信息处理系统。

现在，在他们的实验中，研究小组首先生长了平均直径为150nm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Er离子。然后他们将纳米颗粒放在镜子上并将其冷却至约6K。

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，从而可以选择散布在大范围内的任意纳米粒子。当纤维与纳米颗粒对齐时，形成空腔。

铒离子被1,535nm的激光激发，并通过光纤腔收集它们的发射光。该腔体增加了光与物质之间的相互作用，通过珀塞尔效应导致离子更快的发射，并提高了收集效率。作者测量到离子发射增加了一百多个，其中超过99%处于腔模式。

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和狭窄的发射峰。他们重点关注其中一个，确定这是否确实是单个发射器。

他们寻找的第一个迹象是检测光子以增加激发功率的概率饱和。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。

考虑到这一点，作者能够检测到这种效应并对其进行测量，但发现他们可以在每个腔寿命周期内仅用约10-2个光子使离子饱和，这证明了光与物质之间存在强烈的相互作用。然而，单个离子最明显的标志是它一次只能发射一个光子。

可以通过在两个检测器之间平均分配离子的发射来测试这一特性，并检查在任何给定时间只有一个会发出咔嗒声，因为单光子流不能导致同时检测。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。

ICFO联合研究员EduardoBeattie表示，这项研究的结果“可能会提供一种在纳米级体积中使用数百个量子位来实现量子处理器的新方法，这些量子位可以单独检测和操纵，并有效地耦合到单光子以实现量子网络”。该研究的第一作者。

正如ICFOHuguesdeRiedmatten的ICREA教授总结的那样，“纳米粒子中的单个稀土离子提供的可能性是多方面的：铒离子可以提供通信量子位来连接量子处理器，而其他物种可以提供处理量子位。此外，全光纤-我们开发的集成系统是实现未来量子硬件的重要一步。”

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