超硬材料网

        钻石因其纯度而受到重视，但它们的缺陷可能是一种新型高度安全通信的关键。研究人员正在使用钻石来保存远距离的脆弱量子信息。

        一个由普林斯顿领导的研究小组已经制造出了一种钻石，它包含了能够储存和传输量子信息的缺陷，以便在未来的量子互联网中使用。“缺陷可以在相当长的一段时间内以电子的形式储存和储存量子信息，并将其有效地与光子联系起来。”

        钻石因其纯度而受到重视，但它们的缺陷可能是一种新型高度安全通信的关键。

        普林斯顿大学的研究人员正在使用钻石来帮助建立一个依赖于被称为量子态的亚原子粒子的特性的通信网络。研究人员认为，这样的量子信息网络将是极其安全的，也可以让新的量子计算机协同工作来完成目前无法解决的问题。但是，目前设计这些网络的科学家们面临着几个挑战，包括如何在远距离保存脆弱的量子信息。

        现在，研究人员已经找到了一种使用合成钻石的可能的解决方案。

        在本周发表在《科学》杂志上的一篇文章中，研究人员描述了他们如何能够储存和传输量子信息——量子比特，使用一颗钻石，用一个硅原子取代了两个碳原子。

        在标准的通信网络中，被称为中继器的设备会短暂地存储和重新传输信号，使它们能够走更远的距离。普林斯顿大学电子工程学助理教授、首席研究员娜塔莉德莱昂表示，这些钻石可以作为量子中继器，用于基于量子位的网络。

        量子中继器的想法已经存在很长时间了，“但是没有人知道如何建造它们，”德莱昂说。“我们试图找到一种可以作为量子中继器的主要组成部分的东西。”

        创建量子中继器的关键挑战是找到一种既能储存又能传输量子位的材料。到目前为止，传送量子位的最好方法是将它们编码成光的粒子，称为光子。目前在大部分网络中使用的光纤已经通过光子传输信息。然而，光纤中的量子位可以在它们的特殊量子属性丢失和信息被打乱之前，只能进行短距离的移动。捕获和储存光子是很困难的，根据定义，光子以光速运动。

        相反，研究人员已经研究了诸如晶体之类的固体，以提供储存。在晶体中，如钻石，量子位理论上可以从光子转移到电子，而电子更容易储存。进行这种转移的关键地方是钻石内部的缺陷，在钻石的碳晶格中，除了碳元素之外的其他元素。珠宝商们几个世纪以来就知道，钻石中的杂质会产生不同的颜色。对于德莱昂的团队来说，这些颜色中心，就像这些杂质一样，代

        之前的研究人员首先尝试使用一种叫做氮空位的缺陷——氮原子取代了其中一个碳原子——但是发现尽管这些缺陷储存了信息，但它们并没有正确的光学特性。另一些人则决定研究硅的空缺——用一个硅原子代替碳原子。但是硅的空缺，虽然他们可以把信息传递给光子，但缺乏长期的一致性时间。

        我们问，“我们知道什么导致了这两个颜色中心的局限性？”’,”德莱昂说。“我们能不能从头开始设计一些东西，解决所有这些问题？”

        普林斯顿领导的团队和他们的合作者决定试验这个缺陷的电荷。理论上，硅的空缺应该是电中性的，但事实证明，其他附近的杂质可以对缺陷产生电荷。研究小组认为电荷状态与保持电子自旋在正确方向上储存量子位的能力之间可能存在某种联系。

        研究人员与工业钻石制造公司Element Six合作，建立了电中性的硅空位。元素6首先通过放下一层层的碳原子来形成晶体。在这个过程中，他们加入了硼原子，这样就会排挤其他可能破坏中性电荷的杂质。

        德莱昂说：“我们必须在能够增加收费或取消收费的东西之间进行这种微妙的收费。”“我们控制着钻石的背景缺陷的电荷分布，这使我们能够控制我们所关心的缺陷的电荷状态。”

        接下来，研究人员将硅离子植入钻石中，然后将钻石加热到高温，以去除其他可能导致电荷的杂质。通过几次材料工程的迭代，再加上与美国宝石研究所的科学家合作进行的分析，研究小组在钻石中产生了中性硅的空缺。

        中性硅的空缺既能利用光子发射量子信息，又能利用电子储存量子信息，这是创造量子纠缠的关键要素，它描述了粒子对如何保持相互关联，即使它们被分离了。缠结是量子信息安全的关键：接受者可以比较他们的纠缠对的测量，看看窃听者是否已经损坏了其中的一条信息。

        研究的下一步是在中性硅空位和光子电路之间建立一个接口，使来自网络的光子进入和离开彩色中心。

        加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学教授阿尼娅布雷斯金斯基说，研究人员已经成功地遇到了一个长期的挑战，那就是寻找一种具有良好特性的钻石缺陷，这些特征有利于光子和电子的量子特性。

        没有参与这项研究的Jayich说：“作者的材料-工程方法成功地发现了有前景的固态缺陷量子平台，这凸显了固态缺陷的多功能性，并有可能在更大范围的材料和缺陷候选者中激发更全面、更广泛的搜索。”

        之前的研究人员首先尝试使用一种叫做氮空位的缺陷——氮原子取代了其中一个碳原子——但是发现尽管这些缺陷储存了信息，但它们并没有正确的光学特性。另一些人则决定研究硅的空缺——用一个硅原子代替碳原子。但是硅的空缺，虽然他们可以把信息传递给光子，但缺乏长期的一致性时间。

        我们问，“我们知道什么导致了这两个颜色中心的局限性？”’,”德莱昂说。“我们能不能从头开始设计一些东西，解决所有这些问题？”

        普林斯顿领导的团队和他们的合作者决定试验这个缺陷的电荷。理论上，硅的空缺应该是电中性的，但事实证明，其他附近的杂质可以对缺陷产生电荷。研究小组认为电荷状态与保持电子自旋在正确方向上储存量子位的能力之间可能存在某种联系。

        研究人员与工业钻石制造公司Element Six合作，建立了电中性的硅空位。元素6首先通过放下一层层的碳原子来形成晶体。在这个过程中，他们加入了硼原子，这样就会排挤其他可能破坏中性电荷的杂质。

        普林斯顿大学的研究小组成员包括博士后研究助理布伦登罗斯，以及德莱昂实验室的研究生丁黄和张怀怀。德莱昂团队还包括博士后研究人员保罗史蒂文森、索瓦里桑塔辛和斯里坎特斯里尼瓦桑，他曾是IBM的博士后研究员。额外的贡献来自于研究人员阿列克谢泰里什金和电气工程教授斯蒂芬里昂。该团队与美国宝石学院的洛恩劳丹、马修马克汉姆、安德鲁埃德蒙兹和丹尼尔Twitchen在Element Six进行了合作。