金剛石納米結(jié)構(gòu)中的缺陷中心可以用作量子比特。通過量子運算（糾纏），量子信息可以存儲在發(fā)射的單光子中，并在未來的量子互聯(lián)網(wǎng)中以光纖傳輸。

圖片來源：柏林洪堡大學

       金剛石通常與昂貴的珠寶或工業(yè)磨料聯(lián)系在一起；然而，它也是量子計算和通信下一個時代的一個有前途的平臺。金剛石中的光敏原子尺度缺陷可以作為優(yōu)秀的量子比特，并發(fā)射稱為單光子的單光粒子。一個被充分研究的缺陷，氮空位(NV)缺陷，已經(jīng)被證明是一種量子存儲器，但有效地使用NV進行量子信息處理任務仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

       為了在量子網(wǎng)絡中以可行的通信速率長距離傳輸數(shù)據(jù)，所有光子必須在光纖中收集并傳輸而不丟失。還必須確保這些光子都具有相同的顏色，即相同的頻率。直到現(xiàn)在，滿足這些要求都是不可能的。

       由柏林洪堡大學的Tim Schr?der教授領導的“集成量子光子學”小組的研究人員在全球范圍內(nèi)首次成功地產(chǎn)生和檢測從量子光源發(fā)射的穩(wěn)定光子頻率的光子，或者更準確地說，從金剛石納米結(jié)構(gòu)中的氮空位缺陷中心發(fā)出的光子。

       這是通過仔細選擇鉆石材料來實現(xiàn)的；在費迪南德-布勞恩研究所、萊布尼茨-赫希斯特雷庫茨技術(shù)學院金剛石納米光子學聯(lián)合實驗室進行的復雜納米制造方法和具體的實驗控制方案。通過結(jié)合這些方法，可以顯著降低先前干擾數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娮釉肼?，并以穩(wěn)定的(通信)頻率發(fā)射光子。

納入納米柱中的NV示意圖

       黑暗中的NV。（a） 快門實驗，其中我們在PLE掃描20秒和阻擋輻射60秒之間交替進行。當進行PLE掃描時，ZPL共振的中心頻率是從Voigt擬合（灰點）中提取的。在這里，示例性地展示了一個數(shù)據(jù)集。（b） 從許多數(shù)據(jù)集中獲得的光譜偏移的發(fā)生。提取的“激光開啟”光譜擴散值對應于在 20 s 周期內(nèi)記錄的跨度頻率范圍。“激光關閉”的光譜擴散是從阻擋激光之前的最后一次PLE掃描和阻擋激光后的第一次掃描的光譜差異中提取的，如圖（a）所示。

       來源：Physical Review X （2023）。DOI：10.1103/PhysRevX.13.011042

       此外，柏林大學的研究人員表示，在開發(fā)的方法的幫助下，空間分離的量子系統(tǒng)之間目前的通信速率有望提高1000倍以上，這是向未來量子互聯(lián)網(wǎng)邁出的重要一步。

       科學家們已經(jīng)將單個量子比特集成到優(yōu)化的金剛石納米結(jié)構(gòu)中。這些結(jié)構(gòu)比人的頭發(fā)還要細1000倍，可以將發(fā)射的光子定向轉(zhuǎn)移到玻璃纖維中。

       然而，在納米結(jié)構(gòu)的制造過程中，材料表面在原子水平上被破壞，自由電子為產(chǎn)生的光粒子產(chǎn)生不可控的噪聲。噪聲，類似于不穩(wěn)定的無線電頻率，會導致光子頻率的波動，阻礙諸如糾纏等成功的量子操作。

       所使用的金剛石材料的一個特點是其晶格中氮雜質(zhì)原子的密度相對較高。這些可能會在納米結(jié)構(gòu)的表面保護量子光源免受電子噪聲的影響。“然而，確切的物理過程需要在未來進行更詳細的研究，”與Tim Schr?der教授一起研究量子系統(tǒng)的Laura Orphal-Kobin解釋說。

       從實驗觀察中得出的結(jié)論得到了統(tǒng)計模型和模擬的支持，來自同一研究小組的Gregor Pieplow博士正在與實驗物理學家一起開發(fā)和實施。

文獻信息：

Laura Orphal-Kobin et al, Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures, Physical Review X (2023). 

 DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042

資料來源：柏林洪堡大學

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011042