Humans and most animals can learn new tasks without forgetting old ones. However, training artificial neural networks (ANNs) on new tasks typically causes them to forget previously learned tasks. This phenomenon is the result of "catastrophic forgetting," in which training an ANN disrupts connection weights that were important for solving previous tasks, degrading task performance. Several recent studies have proposed methods to stabilize connection weights of ANNs that are deemed most important for solving a task, which helps alleviate catastrophic forgetting. Here, drawing inspiration from algorithms that are believed to be implemented in vivo, we propose a complementary method: adding a context-dependent gating signal, such that only sparse, mostly nonoverlapping patterns of units are active for any one task. This method is easy to implement, requires little computational overhead, and allows ANNs to maintain high performance across large numbers of sequentially presented tasks, particularly when combined with weight stabilization. We show that this method works for both feedforward and recurrent network architectures, trained using either supervised or reinforcement-based learning. This suggests that using multiple, complementary methods, akin to what is believed to occur in the brain, can be a highly effective strategy to support continual learning.

Defects and dopant atoms in solid state materials are a promising platform for realizing single photon sources and quantum memories, which are the basic building blocks of quantum repeaters needed for long distance quantum networks. In particular, trivalent erbium (Er3+) is of interest because it couples C-band telecom optical transitions with a spin-based memory platform. In order to produce quantum repeaters at the scale required for quantum networks it is imperative to integrate these necessary building blocks with mature and scalable semiconductor processes. In this work, we demonstrate the optical isolation of single Er3+ ions in CMOS-compatible titanium dioxide (TiO2) thin films monolithically integrated on a silicon-on-insulator photonics platform. Our results demonstrate an initial step toward the realization of a monolithically integrated and scalable quantum photonics package based on Er3+ doped thin films.

Rare-earth ion doped oxide thin films integrated on silicon substrates provide a route toward scalable, chip-scale platforms for quantum coherent devices. Erbium-doped TiO2 is an attractive candidate: the Er3+ optical transition is compatible with C-band optical fiber communications, while TiO2 is an insulating dielectric compatible with silicon process technology. Through structural and optical studies of Er-doped TiO2 thin films grown via molecular beam deposition on silicon, SrTiO3, and sapphire substrates, we have explored the impact of polycrystallinity and microstructure on the optical properties of the Er emission. Comparing polycrystalline TiO2(rutile)/Si with single-crystalline TiO2(rutile)/r-sapphire and polycrystalline TiO2(anatase)/Si with single-crystalline TiO2(anatase)/SrTiO3, we observe that the inhomogeneous linewidth (Γinh) of the most prominent peak in the Er spectrum (the Y1–Z1 transition, 1520 and 1533 nm in rutile and anatase TiO2) is significantly narrower in the polycrystalline case. This implies a relative insensitivity to extended structural defects and grain boundaries in such films (as opposed to, e.g., point defects). We show that the growth of an undoped, underlying TiO2 buffer on Si can reduce Γinh by a factor of 4–5. Expectedly, Γinh also reduces with decreasing Er concentrations: we observe a ∼2 order of magnitude reduction from ∼1000 ppm Er to ∼10 ppm Er. Γinh then gets limited to a residual value of ∼5 GHz that is insensitive to further reduction in the Er concentration. Based upon the above results, we argue that the optical properties in these thin films are limited by the presence of high “grown-in” point defect concentrations.

Erbium-doped TiO2 materials are promising candidates for advancing quantum technologies, necessitating a thorough understanding of their electronic and crystal structures to tailor their properties and enhance coherence times. This study explored epitaxial erbium-doped rutile TiO2 films deposited on r-sapphire substrates using molecular beam epitaxy. Photoluminescence excitation spectroscopy demonstrated decreasing photoluminescence lifetimes with erbium doping, indicating limited optical coherence times. Lattice distortions associated with Er3+ were probed by x-ray absorption spectroscopy, indicating that erbium primarily occupies Ti4+ sites and influences oxygen vacancies. Significant lattice distortions in the higher-order shells and apparent full coordination around erbium suggest that additional defects are likely prevalent in these regions. These findings indicate that defects contribute to limited coherence times by introducing alternative decay pathways, leading to shorter photoluminescence lifetimes.

Robust spin-photon interfaces with optical transitions in the telecommunication band are essential for quantum networking technologies. Erbium (Er) ions are the ideal candidate with environmentally protected transitions in telecom-C band. Finding the right technologically compatible host material to enable long-lived spins remains a major hurdle. We introduce a new platform based on Er ions in cerium dioxide (CeO2) as a nearly-zero nuclear spin environment (0.04%) epitaxially grown on silicon, offering silicon compatibility for opto-electrical devices. Our studies focus on Er3+ ions and show a narrow homogeneous linewidth of 440 kHz with an optical coherence time of 0.72 μs at 3.6 K. The reduced nuclear spin noise enables a slow spin-lattice relaxation with a spin relaxation time up to 2.5 ms and an electron spin coherence time of 0.66 μs (in the isolated ion limit) at 3.6 K. These findings highlight the potential of Er3+:CeO2 platform for quantum networks applications.