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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
固態原子缺陷是長距離量子通信的量子中繼器網絡的關鍵組成部分。稀土離子（特別是Er3+）因其電信波段的光學躍遷，可以在光纖中進行長距離傳輸，引起了研究人員的廣泛關注。然而，由于存在光譜擴散阻礙，無法區分單光子的產生，基于稀土離子的中繼器節點的發展受到嚴重阻礙。
有鑒于此，普林斯頓大學Jeff D. Thompson等人將Er3+注入到 CaWO4中，實現了非極性位點對稱性、核自旋的低退相干性和不含背景稀土離子等優點集于一體的新材料，可以顯著減少光譜擴散。對于淺注入離子與具有大Purcell因子的納米光子腔耦合，作者觀察到 150kHz 的單掃描光學線寬和 63kHz 的長期光譜擴散，兩者都接近 21kHz 的 Purcell 增強輻射線寬，可以實現連續發射的光子之間的Hong–Ou–Mandel干涉的觀測，其可見度為V=80(4)%。此外，作者還觀察到自旋弛豫時間T1,s=3.7?s和T2,s>200?μs，后者受到晶體中順磁雜質的限制。該研究標志著使用單個Er3+離子構建電信級量子中繼器網絡邁出了顯著的一步。
器件結構
作者通過能量為35keV的離子將Er注入高純度CaWO4制備了本工作的研究樣品，光譜研究表明通過退火可以有效消除注入損傷。接著，作者使用PLE光譜對單個離子進行光譜解析，結果表明離子注入產率較高，證實了通過離子注入法成功制備了Er3+:CaWO4器件。
圖 Er3+:CaWO4器件結構
光子高效收集
將Er3+離子耦合到腔中可以進行光學準備和電子自旋測量。作者演示了自旋初始化和讀出，平均保真度F=0.972。得益于鉺腔系統的高量子效率和收集效率，P1 和信號背景比較通過頻率轉換氮空位中心獲得的結果大一個數量級以上，單次掃描的典型線寬約為150kHz，比納米光子腔中單個Er3+離子的線寬提高了 100 倍，這是在納米光子器件中觀察到的固態缺陷的最窄光學躍遷。
圖 從腔耦合離子中高效收集光子
不可區分光子產生
作者使用不平衡馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）對時滯光子進行HOM雙光子干涉測量，探測了光子的不可區分性。在實驗中觀察到高度的不可區分性。進一步通過可見度V量化不可區分性，得到V=80(4)%。
圖 不可區分光子的產生
自旋動力學
最后，作者研究了Er3+的自旋性質，觀察到明顯扭曲的磁矩。自旋弛豫時間為T1,s=3.7?s，且受到具有T1,s∝1/B5依賴性的直接過程的限制。Ramsey和 Hahn回波實驗分別給出T* 2,s=247?ns和T2,s=44?μs。作者表明主晶體或表面上的順磁性雜質是退相干的主要來源，推斷密度約為3×1016?cm?3。
圖 自旋動力學
參考文獻：
Ourari, S., Dusanowski, ?., Horvath, S.P. et al. Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state. Nature 620, 977–981 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-06281-4
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06281-4
