植入具有缺陷的钻石 为量子通信提供关键技术

普林斯顿大学的研究人员正在使用合成钻石来帮助建立一个依赖于称为量子态的亚原子粒子特性的通信网络。研究人员认为，这样的量子信息网络将是非常安全的，并且还可以允许新的量子计算机一起工作以完成目前无法解决的问题。但目前设计这些网络的科学家面临着一些挑战，包括如何长距离保存脆弱的量子信息。

现在，研究人员已经使用实验室制造的钻石达成了可能的解决方案，这种钻石可以精确控制宝石的化学成分。

在 “科学”杂志上发表的 一篇文章中，研究人员描述了他们如何能够存储和传输比特量子信息，称为量子比特，使用的是一个用一个硅原子代替两个碳原子的钻石。

在标准通信网络中，称为中继器的设备短暂地存储和重传信号以允许它们行进更远的距离。 普林斯顿大学电子工程助理教授， 首席研究员Nathalie de Leon表示，这些钻石可以作为基于量子比特的网络的量子中继器。

量子转发器的想法已经存在了很长时间，“但没有人知道如何构建它们，”德莱昂说。“我们试图找到一些可以作为量子中继器主要组件的东西。”

创建量子中继器的关键挑战是找到一种可以存储和传输量子比特的材料。到目前为止，传输量子比特的最佳方法是将它们编码为光粒子，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特性丢失并且信息被扰乱之前仅行进很短的距离。陷阱和存储光子很困难，根据定义，光子以光速移动。

相反，研究人员已经研究了诸如晶体之类的固体来提供储存。在诸如钻石之类的晶体中，量子比特理论上可以从光子转移到更容易存储的电子。进行这种转移的关键位置是钻石中的缺陷，其中除了碳以外的元素被困在钻石的碳晶格中。几个世纪以来，珠宝商已经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，这些色彩中心，就像所谓的杂质一样，代表着操纵光线并创造量子中继器的机会。

以前的研究人员首先尝试使用称为氮空位的缺陷 - 其中氮原子取代了一个碳原子 - 但发现尽管这些缺陷存储信息，但它们没有正确的光学特性。其他人则决定研究硅空位 - 用硅原子取代碳原子。但硅空位虽然可以将信息传递给光子，却缺乏长时间的连贯性。

“我们问，'我们对导致这两个色心的局限性的原因了解多少?'”德莱昂说。“我们可以从头开始设计其他东西，解决所有这些问题吗?”

普林斯顿领导的团队及其合作者决定试验缺陷的电荷。理论上的硅空位应该是电中性的，但事实证明其他附近的杂质会给缺陷带来电荷。该团队认为，电荷状态与保持电子自旋的能力之间可能存在关联，以保持存储量子位的正确方向。

研究人员与工业钻石制造公司Element Six合作，建造电中性硅空位。元素六通过铺设碳原子层形成晶体开始。在此过程中，他们添加了硼原子，其具有挤出可能破坏中性电荷的其他杂质的效果。

“我们必须在可以增加收费或收取费用的事情之间进行这种微妙的收费补偿舞蹈，”德莱昂说。“我们控制钻石中背景缺陷的电荷分布，这使我们能够控制我们关心的缺陷的充电状态。”

接下来，研究人员将硅离子注入钻石中，然后将钻石加热至高温，以去除其他可能产生电荷的杂质。通过材料工程的多次迭代，以及与宝石学院的科学家合作进行的分析，该团队制作了中性的硅空位。

中性硅空位擅长利用光子传输量子信息和使用电子存储量子信息，电子是创造称为纠缠的基本量子特性的关键因素，它描述了粒子对即使分离也保持相关性。纠缠是量子信息安全的关键：接收者可以比较纠缠对的测量结果，看看窃听者是否损坏了其中一条消息。

该研究的下一步是在中性硅空位和光子电路之间建立一个界面，使光子从网络进出色彩中心。

加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授Ania Bleszynski Jayich说，研究人员成功地遇到了一个长期的挑战，那就是找到一个具有有利于处理光子和电子量子特性的钻石缺陷。

“作者的材料工程方法成功识别出有前途的基于固态缺陷的量子平台突出了固态缺陷的多功能性，并有可能激发更广泛和更广泛的材料横截面搜索。瑕疵候选人，“Jayich说，他没有参与这项研究。

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