Coherent Optical Control of a Single Donor Electron Spin

在构建量子互联网的探索过程中，科学家们正在寻找一种在光与物质中存储信息的方法。想象一个数据以光子（光的粒子）进行传输，但必须在特定的节点处暂停以进行处理或记忆的网络。为了实现这一点，这些节点需要一种能够足够长时间保存量子态，同时又能足够快地与光交互以发送和接收信息的存储器。这些存储器的一个极具前景的候选方案是单个电子的自旋。自旋是电子的一种内在属性，表现得像一个微小的、看不见的磁铁，可以指向不同的方向。如果科学家能够用光来控制这个方向，他们就能在静态量子存储器与飞行量子信息之间建立一座桥梁。然而，在固体材料中实现这种控制是非常困难的。环境通常过于嘈杂，会导致脆弱的量子态在被使用之前就发生坍缩。研究人员长期以来一直在寻找一种既能提供明亮、清晰的光学信号，又能保护电子自旋免受周围原子混沌影响的材料。

一支研究团队通过驯服捕获在硒化锌晶体中的单个电子自旋，展示了显著的进展。他们专注于一种特定类型的杂质——嵌入在材料中的氯原子，它充当了单个电子的陷阱。这种设置创建了一个系统，使电子被束缚在氯原子上，形成一个可以用激光操纵的稳定结构。研究人员成功展示了他们如何利用光来制备电子自旋、以极快的速度控制其方向，并读取其最终状态。这一成就之所以引人注目，是因为它结合了清晰观察电子的能力与相干控制自旋的能力，这意味着他们可以在不丢失所携带的脆弱量子信息的情况下引导自旋。

这段旅程始于一个微型器件的制作。科学家们生长了一层薄薄的硒化锌（一种半导体材料），将其夹在被称为硒化镁锌的类似材料层之间。在这一薄层内，他们引入了极低密度的氯原子，以至于从统计学上讲，在他们刻蚀出的一个微小柱体中，只会出现一两个氯原子。这个柱体形状像一根柱子并带有透镜，旨在收集单个被捕获在氯位点的电子所发出的微弱光线。当他们向样品照射激光时，观察到了来自单个氯原子的特定颜色的光，证实了他们观察的是一个孤立的系统。通过施加磁场，他们分裂了电子自旋的能级，创造了两个可以用光单独寻址的截然不同的状态。

为了证明他们能够控制自旋，团队首先必须学习如何将其设定为一个已知的起始位置。他们使用了一种称为光学抽运的过程，即照射一束调谐到特定频率的激光，该激光仅在电子处于特定自旋状态时才会激发电子。随着电子吸收光线并随后重新发射，它有机会掉落回两个自旋状态中的任何一个。通过重复这个循环，他们有效地过滤了电子，留下仅处于所需状态的电子。一旦自旋被制备好，他们就测量了它在该状态下停留的时间。他们发现，自旋可以在大约 18.5 微秒内保持在其状态中，之后会有某种因素导致其发生改变。至关重要的是，他们确定这种改变并非由于自旋自发翻转引起的（这属于基本极限），而是因为电子偶尔会完全逃离氯陷阱。这一区别至关重要，因为它表明如果他们能阻止电子逃逸（例如通过调节材料中的电场），自旋可能会持续更长时间，甚至达到毫秒量级。

在初始化自旋后，研究人员进入了最具挑战性的部分：用光来引导它。他们没有使用用于制备的缓慢、稳定的激光，而是发射了持续时间仅为几万亿分之一秒的极短光脉冲。这些脉冲被调谐到略微不同于电子自然共振的频率，这种技术允许光在不真正将电子激发到更高能级的情况下影响自旋。通过调节这些脉冲的功率，他们可以使自旋旋转。他们通过创造一种被称为拉比振荡（Rabi oscillations）的振荡模式证明了这一点，在这种模式下，自旋在两个状态之间以可预测的节奏来回翻转。这证明了他们可以像使用拨盘一样精确地控制自旋，将其转动到任何想要的任何角度。

为了确认这种控制确实是量子且相干的，他们进行了一项更复杂的测试，称为拉姆齐干涉（Ramsey interference）。在这次实验中，他们施加了两个间隔短暂停顿的短激光脉冲。在停顿期间，自旋在磁场的作用下像陀螺一样自由旋转。当第二个脉冲到达时，它揭示了自旋在停顿期间旋转了多少。结果显示出清晰的波形模式，证明了自旋在整个过程中保持了其量子记忆。他们测量了这种记忆持续的时间，发现相干时间约为 22 纳秒。虽然这看起来非常快，但对于固体材料中的电子来说，这是一个显著的持续时间，并且与基于电子和周围原子核相互作用的理论预测相吻合。

最后，研究人员通过观察电子与氯原子自身原子核之间的相互作用，探索了这个系统的深层结构。氯原子核拥有自己的自旋，表现得像一个微小的磁铁，会影响电子。通过增加激光脉冲的功率，他们能够解析出这种相互作用的细微效应。他们看到的不再是单一信号，而是观察到了四个截然不同的特征，这对应于氯原子核不同的可能取向。这一观察表明，原子核也可以被用作记忆，从而可能进一步延长存储时间。观察并控制这些超精细相互作用的能力表明，这个单原子可以作为一个多层量子存储器，其中电子充当快速处理器，而原子核则充当长期存储驱动器。

这项工作为量子技术建立了一个新的平台，表明孤立的供体原子在硒化锌中可以作为稳健且具有光学活性的量子比特。研究人员已经证明，他们可以高保真度地初始化、操纵和读取单个电子自旋，同时保持量子网络所需的相干性。尽管仍面临挑战，例如防止电子逃离陷阱以及通过材料纯化来延长相干时间，但前进的道路现在已经清晰。通过结合高效的光学接入与长寿命的自旋记忆，这些单供体为实现可扩展的量子信息系统提供了充满希望的途径，将晶体中的单个原子转变为未来量子互联网的功能节点。