超硬材料網

        鉆石因其純度而受到重視，但它們的缺陷可能是一種新型高度安全通信的關鍵。研究人員正在使用鉆石來保存遠距離的脆弱量子信息。

        一個由普林斯頓領導的研究小組已經制造出了一種鉆石，它包含了能夠儲存和傳輸量子信息的缺陷，以便在未來的量子互聯網中使用。“缺陷可以在相當長的一段時間內以電子的形式儲存和儲存量子信息，并將其有效地與光子聯系起來。”

        鉆石因其純度而受到重視，但它們的缺陷可能是一種新型高度安全通信的關鍵。

        普林斯頓大學的研究人員正在使用鉆石來幫助建立一個依賴于被稱為量子態的亞原子粒子的特性的通信網絡。研究人員認為，這樣的量子信息網絡將是極其安全的，也可以讓新的量子計算機協同工作來完成目前無法解決的問題。但是，目前設計這些網絡的科學家們面臨著幾個挑戰，包括如何在遠距離保存脆弱的量子信息。

        現在，研究人員已經找到了一種使用合成鉆石的可能的解決方案。

        在本周發表在《科學》雜志上的一篇文章中，研究人員描述了他們如何能夠儲存和傳輸量子信息——量子比特，使用一顆鉆石，用一個硅原子取代了兩個碳原子。

        在標準的通信網絡中，被稱為中繼器的設備會短暫地存儲和重新傳輸信號，使它們能夠走更遠的距離。普林斯頓大學電子工程學助理教授、首席研究員娜塔莉德萊昂表示，這些鉆石可以作為量子中繼器，用于基于量子位的網絡。

        量子中繼器的想法已經存在很長時間了，“但是沒有人知道如何建造它們，”德萊昂說。“我們試圖找到一種可以作為量子中繼器的主要組成部分的東西。”

        創建量子中繼器的關鍵挑戰是找到一種既能儲存又能傳輸量子位的材料。到目前為止，傳送量子位的最好方法是將它們編碼成光的粒子，稱為光子。目前在大部分網絡中使用的光纖已經通過光子傳輸信息。然而，光纖中的量子位可以在它們的特殊量子屬性丟失和信息被打亂之前，只能進行短距離的移動。捕獲和儲存光子是很困難的，根據定義，光子以光速運動。

        相反，研究人員已經研究了諸如晶體之類的固體，以提供儲存。在晶體中，如鉆石，量子位理論上可以從光子轉移到電子，而電子更容易儲存。進行這種轉移的關鍵地方是鉆石內部的缺陷，在鉆石的碳晶格中，除了碳元素之外的其他元素。珠寶商們幾個世紀以來就知道，鉆石中的雜質會產生不同的顏色。對于德萊昂的團隊來說，這些顏色中心，就像這些雜質一樣，代

        之前的研究人員首先嘗試使用一種叫做氮空位的缺陷——氮原子取代了其中一個碳原子——但是發現盡管這些缺陷儲存了信息，但它們并沒有正確的光學特性。另一些人則決定研究硅的空缺——用一個硅原子代替碳原子。但是硅的空缺，雖然他們可以把信息傳遞給光子，但缺乏長期的一致性時間。

        我們問，“我們知道什么導致了這兩個顏色中心的局限性？”’,”德萊昂說。“我們能不能從頭開始設計一些東西，解決所有這些問題？”

        普林斯頓領導的團隊和他們的合作者決定試驗這個缺陷的電荷。理論上，硅的空缺應該是電中性的，但事實證明，其他附近的雜質可以對缺陷產生電荷。研究小組認為電荷狀態與保持電子自旋在正確方向上儲存量子位的能力之間可能存在某種聯系。

        研究人員與工業鉆石制造公司Element Six合作，建立了電中性的硅空位。元素6首先通過放下一層層的碳原子來形成晶體。在這個過程中，他們加入了硼原子，這樣就會排擠其他可能破壞中性電荷的雜質。

        德萊昂說：“我們必須在能夠增加收費或取消收費的東西之間進行這種微妙的收費。”“我們控制著鉆石的背景缺陷的電荷分布，這使我們能夠控制我們所關心的缺陷的電荷狀態。”

        接下來，研究人員將硅離子植入鉆石中，然后將鉆石加熱到高溫，以去除其他可能導致電荷的雜質。通過幾次材料工程的迭代，再加上與美國寶石研究所的科學家合作進行的分析，研究小組在鉆石中產生了中性硅的空缺。

        中性硅的空缺既能利用光子發射量子信息，又能利用電子儲存量子信息，這是創造量子糾纏的關鍵要素，它描述了粒子對如何保持相互關聯，即使它們被分離了。纏結是量子信息安全的關鍵：接受者可以比較他們的糾纏對的測量，看看竊聽者是否已經損壞了其中的一條信息。

        研究的下一步是在中性硅空位和光子電路之間建立一個接口，使來自網絡的光子進入和離開彩色中心。

        加州大學圣塔芭芭拉分校的物理學教授阿尼婭布雷斯金斯基說，研究人員已經成功地遇到了一個長期的挑戰，那就是尋找一種具有良好特性的鉆石缺陷，這些特征有利于光子和電子的量子特性。

        沒有參與這項研究的Jayich說：“作者的材料-工程方法成功地發現了有前景的固態缺陷量子平臺，這凸顯了固態缺陷的多功能性，并有可能在更大范圍的材料和缺陷候選者中激發更全面、更廣泛的搜索。”

        之前的研究人員首先嘗試使用一種叫做氮空位的缺陷——氮原子取代了其中一個碳原子——但是發現盡管這些缺陷儲存了信息，但它們并沒有正確的光學特性。另一些人則決定研究硅的空缺——用一個硅原子代替碳原子。但是硅的空缺，雖然他們可以把信息傳遞給光子，但缺乏長期的一致性時間。

        我們問，“我們知道什么導致了這兩個顏色中心的局限性？”’,”德萊昂說。“我們能不能從頭開始設計一些東西，解決所有這些問題？”

        普林斯頓領導的團隊和他們的合作者決定試驗這個缺陷的電荷。理論上，硅的空缺應該是電中性的，但事實證明，其他附近的雜質可以對缺陷產生電荷。研究小組認為電荷狀態與保持電子自旋在正確方向上儲存量子位的能力之間可能存在某種聯系。

        研究人員與工業鉆石制造公司Element Six合作，建立了電中性的硅空位。元素6首先通過放下一層層的碳原子來形成晶體。在這個過程中，他們加入了硼原子，這樣就會排擠其他可能破壞中性電荷的雜質。

        普林斯頓大學的研究小組成員包括博士后研究助理布倫登羅斯，以及德萊昂實驗室的研究生丁黃和張懷懷。德萊昂團隊還包括博士后研究人員保羅史蒂文森、索瓦里桑塔辛和斯里坎特斯里尼瓦桑，他曾是IBM的博士后研究員。額外的貢獻來自于研究人員阿列克謝泰里什金和電氣工程教授斯蒂芬里昂。該團隊與美國寶石學院的洛恩勞丹、馬修馬克漢姆、安德魯埃德蒙茲和丹尼爾Twitchen在Element Six進行了合作。