加拿大西蒙菲莎大学Stephanie Simmons等人将可单独寻址的“T 中心”（硅中单自旋缺陷）产生的光子-自旋量子比特集成到硅光子结构中，并用光学手段表征了它们与自旋相关的通信波段光学跃迁。这些结果为构建硅集成的通信波段量子信息网络提供了直接的机会。相关研究成果于7月13日发表在《自然》杂志上。
现代量子科学的一个成就是分离、操控和利用单个量子粒子，例如单电荷、单光子和单自旋。包括纠缠的产生、长距离隐形传态、无漏洞的贝尔不等式检验和基于量子中继的量子通信等科学突破，其核心都是“光子-物质比特”纠缠。具有自旋和自旋相关光学跃迁的固态色心是一类重要物理体系。这种自旋可以通过光子进行远程纠缠，形成量子计算和通信网络。为此，全球量子互联网将需要大规模制造长寿命、通信波段的光子-物质比特接口。硅是商业规模固态量子技术的理想载体。它已经是全球集成光子学和微电子行业的先进平台，也是有记录的最长寿命自旋量子比特的载体。在硅中确定合适的可单独处理的光子-自旋接口可以避免在一个全新的、更具挑战性的材料平台上重复开发集成光子学。但在硅中进行可单独寻址的单自旋光学检测仍然很难实现。最近，T色心被认为是硅中理想的光子-自旋接口，它结合了长寿命电子自旋( > 2 ms )和核自旋( > 1.1 s )以及极窄的、自旋相关的通信波段光学接口。在迄今为止所研究的所有固态载体的色心体系中，这种组合极其罕见。
Simmons等人已经在硅中通过光学手段检测到了单个自旋。他们在商用硅基绝缘体（SOI）集成光子晶片中制作了数万个可单独寻址的“微圆盘”，并使用低温共焦显微镜确认每个测量的微圆盘都有少量可单独寻址的T色心，初始化和测量单自旋态并执行全光自旋寿命测量。这代表了硅中单自旋的光学探测，并直接为通信波段、硅集成全球量子技术网络的发展奠定了基础。
Simmons说：“这项工作是第一次只用光学测量方法对硅中的单自旋进行测量。像T色心这样结合了高性能自旋比特和光子接口的体系是制造可扩展的、分布式量子计算机的理想选择。通过找到一种在硅中创建量子计算处理器的方法，你可以利用所有多年来用于制造传统计算机而开发的知识和基础设施，而不是为此创造一个全新的产业。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y
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