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金刚石纳米结构中的缺陷中心可以用作量子比特。通过量子运算（纠缠），量子信息可以存储在发射的单光子中，并在未来的量子互联网中以光纤传输。

图片来源：柏林洪堡大学

       金刚石通常与昂贵的珠宝或工业磨料联系在一起；然而，它也是量子计算和通信下一个时代的一个有前途的平台。金刚石中的光敏原子尺度缺陷可以作为优秀的量子比特，并发射称为单光子的单光粒子。一个被充分研究的缺陷，氮空位(NV)缺陷，已经被证明是一种量子存储器，但有效地使用NV进行量子信息处理任务仍然是一个重大挑战。

       为了在量子网络中以可行的通信速率长距离传输数据，所有光子必须在光纤中收集并传输而不丢失。还必须确保这些光子都具有相同的颜色，即相同的频率。直到现在，满足这些要求都是不可能的。

       由柏林洪堡大学的Tim Schröder教授领导的“集成量子光子学”小组的研究人员在全球范围内首次成功地产生和检测从量子光源发射的稳定光子频率的光子，或者更准确地说，从金刚石纳米结构中的氮空位缺陷中心发出的光子。

       这是通过仔细选择钻石材料来实现的；在费迪南德-布劳恩研究所、莱布尼茨-赫希斯特雷库茨技术学院金刚石纳米光子学联合实验室进行的复杂纳米制造方法和具体的实验控制方案。通过结合这些方法，可以显著降低先前干扰数据传输的电子噪声，并以稳定的(通信)频率发射光子。

纳入纳米柱中的NV示意图

       黑暗中的NV。（a） 快门实验，其中我们在PLE扫描20秒和阻挡辐射60秒之间交替进行。当进行PLE扫描时，ZPL共振的中心频率是从Voigt拟合（灰点）中提取的。在这里，示例性地展示了一个数据集。（b） 从许多数据集中获得的光谱偏移的发生。提取的“激光开启”光谱扩散值对应于在 20 s 周期内记录的跨度频率范围。“激光关闭”的光谱扩散是从阻挡激光之前的最后一次PLE扫描和阻挡激光后的第一次扫描的光谱差异中提取的，如图（a）所示。

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

       此外，柏林大学的研究人员表示，在开发的方法的帮助下，空间分离的量子系统之间目前的通信速率有望提高1000倍以上，这是向未来量子互联网迈出的重要一步。

       科学家们已经将单个量子比特集成到优化的金刚石纳米结构中。这些结构比人的头发还要细1000倍，可以将发射的光子定向转移到玻璃纤维中。

       然而，在纳米结构的制造过程中，材料表面在原子水平上被破坏，自由电子为产生的光粒子产生不可控的噪声。噪声，类似于不稳定的无线电频率，会导致光子频率的波动，阻碍诸如纠缠等成功的量子操作。

       所使用的金刚石材料的一个特点是其晶格中氮杂质原子的密度相对较高。这些可能会在纳米结构的表面保护量子光源免受电子噪声的影响。“然而，确切的物理过程需要在未来进行更详细的研究，”与Tim Schröder教授一起研究量子系统的Laura Orphal-Kobin解释说。

       从实验观察中得出的结论得到了统计模型和模拟的支持，来自同一研究小组的Gregor Pieplow博士正在与实验物理学家一起开发和实施。

文献信息：

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

 DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042

资料来源：柏林洪堡大学

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