金剛石納米結構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

       金剛石材料對于量子互聯(lián)網(wǎng)等未來技術非常重要。特殊的缺陷中心可以用作量子比特（qubits），并發(fā)射稱為單光子的單個光粒子。

       為了在量子網(wǎng)絡中以可行的通信速率在長距離上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，必須將所有光子收集在光纖中并傳輸而不會丟失。還必須確保這些光子都具有相同的顏色，即相同的頻率。到目前為止，滿足這些要求是不可能的。

       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首次成功地產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，從金剛石納米結構中的氮空位缺陷中心發(fā)射。

       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)碾娮釉肼暎⑶夜庾右苑€(wěn)定的（通信）頻率發(fā)射。

       黑暗中的NV（制度3）。（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 周期內記錄的跨度頻率范圍?！凹す怅P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。學分：物理評論 X （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.011042

       此外，柏林的研究人員表明，在開發(fā)的方法的幫助下，空間分離的量子系統(tǒng)之間的當前通信速率可以提高1倍以上 - 這是向未來量子互聯(lián)網(wǎng)邁出的重要一步。

       科學家們已經將單個量子位集成到優(yōu)化的金剛石納米結構中。這些結構比人類頭發(fā)細1倍，可以以定向方式將發(fā)射的光子轉移到玻璃纖維中。

       然而，在納米結構的制造過程中，材料表面在原子水平上受到破壞，自由電子為產生的光粒子產生無法控制的噪聲。噪聲與不穩(wěn)定的射頻相當，會導致光子頻率的波動，從而阻止成功的量子操作，例如糾纏。

       所用金剛石材料的一個特點是晶格中氮雜質原子的密度相對較高。這些可能保護量子光源免受納米結構表面的電子噪聲的影響。“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。

       該論文發(fā)表在《物理評論X》雜志上。

       更多信息：Laura Orphal-Kobin 等人，金剛石納米結構中的光學相干氮空位缺陷中心，物理評論 X （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.011042