A） 单个Er的快速光电离检测3+硅纳米晶体管中的离子。b） 在单个 Er 上检测到三个光电离事件3+离子（图1b）。图片来源：中国科学出版社

单个光学中心的高效检测对于量子计算、传感和单光子生成的应用至关重要。例如，金刚石中的氮空位（NV）中心在高精度磁场测量方面取得了突破。NV中心的检测依赖于观察其自旋相关荧光。

同样，碳化硅中的光学中心和固体中的稀土离子也具有相似的检测机制。然而，这些系统的读出需要收集足够数量的光子作为检测信号，这限制了自旋态读出的保真度。相比之下，量子电子器件中常用的电读出方法在更短的时间间隔内提供更高的读出保真度。

最近，由中国科学技术大学尹春明教授领导的研究团队通过展示单个Er的快速光电离检测，在硅基量子技术领域取得了进展3+硅纳米晶体管中的离子。研究结果已发表在《国家科学评论》杂志上，本文的第一作者是张扬波博士。

尹春明教授及其合作者首次实现了单个Er的光电离检测3+2013年硅基单电子晶体管中的离子。然而，光电离事件的读出速度受到直流电流测量带宽的显著限制。

在这项最新工作中，他们采用射频反射法，成功实现了单个Er的快速光电离检测3+硅基单电子晶体管中的离子，每个电离事件都可以以优于 100 纳秒的时间分辨率进行检测。基于该技术，他们还研究了单个Er的光学激发态寿命3+硅基纳米器件中的离子。

在单个光学中心使用射频反射检测技术为可扩展的光量子系统提供了新的可能性。此外，该方法有望实现固体中其他单光中心的快速读出，从而推动单光中心在可扩展量子系统和高精度传感中的应用。

更多信息：Yangbo Zhang 等人，时间分辨率低于 100 ns 的单个 Er3+ 离子的光电离检测，《国家科学评论》（2023 年）。DOI： 10.1093/nsr/nwad134