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量子電腦的速度比超級電腦快數百萬倍，有機會協助解決人類健康、新藥物開發等領域所遭遇到的複雜問題。然而，連接量子位元（qubits）對研究界、產業端來說一直是項挑戰，在量子電腦真正被開發完成之前，必須找出能精準連接數十億個量子位元的方法。
 
過往會將整個矽晶片放入極高溫的快速退火爐（rapid annealing oven）中，藉此過程中產生的矽晶格內缺陷隨機形成量子位元。但若是無法知道量子位元在材料中的確切位置，連接量子位元的量子電腦將難以實現。近期，美國勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory , Berkeley Lab）的研究團隊宣布，他們首次使用飛秒雷射技術（femtosecond laser）將氫摻雜進矽，並可在矽晶體中依照自身需求「創造或消滅」量子位元。研究團隊表示，一旦我們知道特定量子位元的位置，就可以確定如何將該量子位元與系統中的其他組件連接起來、建構出一個量子網路。而這項技術為克服量子位元的製造、品管開闢一條新路徑，更實現對量子位元的精確控制。
 
當矽處在特定的氣體環境（例如氫氣）中，便會形成一種被稱為「色心」（color centers）的缺陷。團隊以超快飛秒雷射，在千萬億分之一秒的極短時間內將能量傳送到塵埃大小的聚焦目標，對矽進行精確的退火並形成色心。這種缺陷可以被重新編碼，同時也是形成特殊電信量子位元（special telecommunications）或「自旋光子量子位元」（spin photon qubits）的候選者。不過當研究人員使用近紅外探測器來研究色心時，卻意外發現了另一種稱為「Ci中心」的量子發射器（quantum emitters，也是矽晶格中的缺陷）。由於它結構簡單、在室溫下具有穩定和自旋特性，使Ci中心成為一個有潛力的自旋光子量子位元，可在電信波段發射光子。研究團隊也進一步發現，飛秒雷射可以踢出氫原子或將氫原子帶回，使我們能在精確位置形成所需的光學量子位元；而增加雷射強度則可以增加氫的遷移率，藉此鈍化不必要的色心且不損壞矽晶格，達到編碼光學量子位元的目的。
 
現階段，研究團隊計劃使用這種技術將光學量子位元整合到量子設備中，例如反射腔（reflective cavities）和波導（waveguides），並發現具有可以針對特定應用、最佳化特性的新自旋光子量子位元候選者。未來若能夠在可大規模生產的矽等材料中，以可編碼的方式形成量子位元，我們便能提高量子網路和計算的實用性。這項發現不僅為量子電腦的發展提供新的可能性，也將推動量子科技領域的快速發展。
 

新聞來源
Jhuria, K. et al.(2024) Programmable quantum emitter formation in silicon. Nature Communications, 15, 4497.