在量子技術(shù)領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性研究為硅基量子光源的應(yīng)用開(kāi)辟了新道路。科學(xué)家通過(guò)替換硅晶格中的氫原子，成功將T中心缺陷轉(zhuǎn)化為近乎完美的單光子發(fā)射器，這項(xiàng)成果可能重塑量子通信與計(jì)算的硬件基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，硅作為量子光源的效率遠(yuǎn)低于金剛石等材料。但研究團(tuán)隊(duì)聚焦于硅晶格中一種特殊缺陷——T中心，該缺陷由兩個(gè)碳原子和一個(gè)氫原子組成。當(dāng)被激光激發(fā)時(shí)，T中心本應(yīng)發(fā)射單光子，但此前常因非輻射衰變導(dǎo)致能量以晶格振動(dòng)形式耗散，而非轉(zhuǎn)化為光子。

研究人員從同位素工程入手，將氫原子替換為更重的氘原子。由于氘的質(zhì)量是普通氫（氕）的兩倍，這種替換顯著改變了缺陷區(qū)域的振動(dòng)模式。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)制備了三種硅樣品：含天然氫的樣品、氘占主導(dǎo)的樣品，以及碳-13富集的對(duì)照樣品。所有樣品均在德國(guó)提供的超高純度硅晶體上制備，這種材料最初為阿伏伽德羅項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，用于重新定義千克標(biāo)準(zhǔn)。

在零下269攝氏度的極低溫環(huán)境下，科學(xué)家通過(guò)光致發(fā)光光譜和傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，精確觀測(cè)到氘化T中心的振動(dòng)能量降低了40%。這種振動(dòng)抑制直接阻斷了非輻射衰變路徑，使單光子發(fā)射效率大幅提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，氘化T中心的激發(fā)態(tài)壽命達(dá)到普通版本的5.4倍，接近理論極限值，初步估算其光子發(fā)射效率可能超過(guò)98%。

更關(guān)鍵的是，氘化顯著改善了光學(xué)循環(huán)性——T中心在被重置前可重復(fù)激發(fā)發(fā)射的次數(shù)增加了300倍。這一特性使電子自旋的單次讀取成為可能，為量子比特的快速操作提供了硬件支持。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)脈沖共振激光激發(fā)技術(shù)，結(jié)合時(shí)間分辨單光子探測(cè)器，精確記錄了光子到達(dá)時(shí)間，驗(yàn)證了同位素替換的顯著效果。

該發(fā)現(xiàn)打破了硅不適合作為高效量子光源的傳統(tǒng)認(rèn)知。由于T中心發(fā)射的光波長(zhǎng)（1326納米）與現(xiàn)有光纖通信的O波段完全匹配，這種缺陷可直接接入全球通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需額外波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)備。參與研究的量子技術(shù)公司Photonic Inc.已啟動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化流程，計(jì)劃將氘化T中心集成到量子通信模塊中。

目前研究團(tuán)隊(duì)正推進(jìn)更系統(tǒng)的振動(dòng)模式分析，計(jì)劃對(duì)T中心所有可能的同位素組合進(jìn)行全面研究。這項(xiàng)工作將幫助科學(xué)家建立缺陷振動(dòng)結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的精確關(guān)聯(lián)模型，為設(shè)計(jì)定制化量子光源提供理論依據(jù)。相關(guān)成果已發(fā)表于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。