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(guān)鍵。研究人員正在使用鉆石來(lái)保存遠(yuǎn)距離的脆弱量子信息。

        一個(gè)由普林斯頓領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)制造出了一種鉆石，它包含了能夠儲(chǔ)存和傳輸量子信息的缺陷，以便在未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)中使用?！叭毕菘梢栽谙喈?dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)以電子的形式儲(chǔ)存和儲(chǔ)存量子信息，并將其有效地與光子聯(lián)系起來(lái)?！?/p>

        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(guān)鍵。

        普林斯頓大學(xué)的研究人員正在使用鉆石來(lái)幫助建立一個(gè)依賴于被稱為量子態(tài)的亞原子粒子的特性的通信網(wǎng)絡(luò)。研究人員認(rèn)為，這樣的量子信息網(wǎng)絡(luò)將是極其安全的，也可以讓新的量子計(jì)算機(jī)協(xié)同工作來(lái)完成目前無(wú)法解決的問(wèn)題。但是，目前設(shè)計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家們面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)，包括如何在遠(yuǎn)距離保存脆弱的量子信息。

        現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)找到了一種使用合成鉆石的可能的解決方案。

        在本周發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章中，研究人員描述了他們?nèi)绾文軌騼?chǔ)存和傳輸量子信息——量子比特，使用一顆鉆石，用一個(gè)硅原子取代了兩個(gè)碳原子。

        在標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)中，被稱為中繼器的設(shè)備會(huì)短暫地存儲(chǔ)和重新傳輸信號(hào)，使它們能夠走更遠(yuǎn)的距離。普林斯頓大學(xué)電子工程學(xué)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(wǎng)絡(luò)。

        量子中繼器的想法已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了，“但是沒(méi)有人知道如何建造它們，”德萊昂說(shuō)?！拔覀?cè)噲D找到一種可以作為量子中繼器的主要組成部分的東西?！?/p>

        創(chuàng)建量子中繼器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是找到一種既能儲(chǔ)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(wǎng)絡(luò)中使用的光纖已經(jīng)通過(guò)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(jìn)行短距離的移動(dòng)。捕獲和儲(chǔ)存光子是很困難的，根據(jù)定義，光子以光速運(yùn)動(dòng)。

        相反，研究人員已經(jīng)研究了諸如晶體之類的固體，以提供儲(chǔ)存。在晶體中，如鉆石，量子位理論上可以從光子轉(zhuǎn)移到電子，而電子更容易儲(chǔ)存。進(jìn)行這種轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵地方是鉆石內(nèi)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(gè)世紀(jì)以來(lái)就知道，鉆石中的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色。對(duì)于德萊昂的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這些顏色中心，就像這些雜質(zhì)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(gè)碳原子——但是發(fā)現(xiàn)盡管這些缺陷儲(chǔ)存了信息，但它們并沒(méi)有正確的光學(xué)特性。另一些人則決定研究硅的空缺——用一個(gè)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(zhǎng)期的一致性時(shí)間。

        我們問(wèn)，“我們知道什么導(dǎo)致了這兩個(gè)顏色中心的局限性？”’,”德萊昂說(shuō)?！拔覀兡懿荒軓念^開(kāi)始設(shè)計(jì)一些東西，解決所有這些問(wèn)題？”

        普林斯頓領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)和他們的合作者決定試驗(yàn)這個(gè)缺陷的電荷。理論上，硅的空缺應(yīng)該是電中性的，但事實(shí)證明，其他附近的雜質(zhì)可以對(duì)缺陷產(chǎn)生電荷。研究小組認(rèn)為電荷狀態(tài)與保持電子自旋在正確方向上儲(chǔ)存量子位的能力之間可能存在某種聯(lián)系。

        研究人員與工業(yè)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(guò)放下一層層的碳原子來(lái)形成晶體。在這個(gè)過(guò)程中，他們加入了硼原子，這樣就會(huì)排擠其他可能破壞中性電荷的雜質(zhì)。

        德萊昂說(shuō)：“我們必須在能夠增加收費(fèi)或取消收費(fèi)的東西之間進(jìn)行這種微妙的收費(fèi)。”“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(guān)心的缺陷的電荷狀態(tài)?！?/p>

        接下來(lái)，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(dǎo)致電荷的雜質(zhì)。通過(guò)幾次材料工程的迭代，再加上與美國(guó)寶石研究所的科學(xué)家合作進(jìn)行的分析，研究小組在鉆石中產(chǎn)生了中性硅的空缺。

        中性硅的空缺既能利用光子發(fā)射量子信息，又能利用電子儲(chǔ)存量子信息，這是創(chuàng)造量子糾纏的關(guān)鍵要素，它描述了粒子對(duì)如何保持相互關(guān)聯(lián)，即使它們被分離了。纏結(jié)是量子信息安全的關(guān)鍵：接受者可以比較他們的糾纏對(duì)的測(cè)量，看看竊聽(tīng)者是否已經(jīng)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(gè)接口，使來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的光子進(jìn)入和離開(kāi)彩色中心。

        加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的物理學(xué)教授阿尼婭布雷斯金斯基說(shuō)，研究人員已經(jīng)成功地遇到了一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)，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(méi)有參與這項(xiàng)研究的Jayich說(shuō)：“作者的材料-工程方法成功地發(fā)現(xiàn)了有前景的固態(tài)缺陷量子平臺(tái)，這凸顯了固態(tài)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(fā)更全面、更廣泛的搜索?！?/p>

        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(gè)碳原子——但是發(fā)現(xiàn)盡管這些缺陷儲(chǔ)存了信息，但它們并沒(méi)有正確的光學(xué)特性。另一些人則決定研究硅的空缺——用一個(gè)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(zhǎng)期的一致性時(shí)間。

        我們問(wèn)，“我們知道什么導(dǎo)致了這兩個(gè)顏色中心的局限性？”’,”德萊昂說(shuō)?！拔覀兡懿荒軓念^開(kāi)始設(shè)計(jì)一些東西，解決所有這些問(wèn)題？”

        普林斯頓領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)和他們的合作者決定試驗(yàn)這個(gè)缺陷的電荷。理論上，硅的空缺應(yīng)該是電中性的，但事實(shí)證明，其他附近的雜質(zhì)可以對(duì)缺陷產(chǎn)生電荷。研究小組認(rèn)為電荷狀態(tài)與保持電子自旋在正確方向上儲(chǔ)存量子位的能力之間可能存在某種聯(lián)系。

        研究人員與工業(yè)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(guò)放下一層層的碳原子來(lái)形成晶體。在這個(gè)過(guò)程中，他們加入了硼原子，這樣就會(huì)排擠其他可能破壞中性電荷的雜質(zhì)。

        普林斯頓大學(xué)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(shí)驗(yàn)室的研究生丁黃和張懷懷。德萊昂團(tuán)隊(duì)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(xiàn)來(lái)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(tuán)隊(duì)與美國(guó)寶石學(xué)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(jìn)行了合作。