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射的單光子中，并在未來的量子互聯網中以光纖傳輸。

圖片來源：柏林洪堡大學

       金剛石通常與昂貴的珠寶或工業磨料聯(lian)系在一(yi)起(qi)；然(ran)而(er)，它也是量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算和(he)通信下一(yi)個時代的一(yi)個有前(qian)途的平臺。金剛(gang)石(shi)中的光(guang)敏原子(zi)(zi)(zi)尺度缺(que)(que)(que)陷(xian)可以作為優秀的量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比特，并發射稱為單光(guang)子(zi)(zi)(zi)的單光(guang)粒子(zi)(zi)(zi)。一(yi)個被充(chong)分研(yan)究的缺(que)(que)(que)陷(xian)，氮空位(NV)缺(que)(que)(que)陷(xian)，已(yi)經被證明(ming)是一(yi)種量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)存儲器，但(dan)有效地使用NV進行量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)信息(xi)處理任務仍然(ran)是一(yi)個重大(da)挑戰(zhan)。

       為了在(zai)量子網絡中以可行的通(tong)信速率(lv)長距(ju)離傳輸數(shu)據，所有(you)光子必須在(zai)光纖中收集并(bing)傳輸而不丟失。還(huan)必須確保這(zhe)些(xie)光子都具有(you)相同的顏色，即相同的頻率(lv)。直到現在(zai)，滿足這(zhe)些(xie)要求都是不可能的。

       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射的穩定光子頻率的光子，或者更準確地說，從金剛石納米結構中的氮空(kong)位缺陷中心發出的光子。

       這是(shi)通過(guo)仔細選擇鉆石(shi)(shi)材(cai)料來實現(xian)的(de)；在費(fei)迪(di)南德(de)-布勞恩研究所、萊布尼(ni)茨-赫希斯特雷庫茨技術學院金(jin)剛石(shi)(shi)納(na)米光子學聯(lian)合實驗室進行的(de)復(fu)雜納(na)米制造方法(fa)和(he)具體的(de)實驗控制方案。通過(guo)結合這些方法(fa)，可(ke)以(yi)顯著降低先前(qian)干(gan)擾數據(ju)傳輸的(de)電子噪聲，并以(yi)穩定的(de)(通信)頻(pin)率發射光子。

納入(ru)納米柱中(zhong)的NV示意圖

       黑暗中的NV。（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據集。（b） 從許多數據集中獲得的光譜偏移的發生。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。“激光關閉”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。

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

       此外(wai)，柏林大學的(de)研究人(ren)員表(biao)示，在開發的(de)方法的(de)幫助(zhu)下，空間分離的(de)量子系統之間目前的(de)通信速率(lv)有望提高1000倍以上，這是向未來量子互(hu)聯網邁(mai)出的(de)重要一步。

       科(ke)學家們已經將單(dan)個(ge)量子(zi)比特集成到優化的(de)金剛石納米結構中(zhong)(zhong)。這些結構比人的(de)頭發還要細1000倍，可(ke)以將發射的(de)光子(zi)定(ding)向轉移(yi)到玻(bo)璃纖維中(zhong)(zhong)。

       然而，在納米結構的制造過程中，材料(liao)表面(mian)在原(yuan)子(zi)(zi)水(shui)平上被(bei)破壞，自由電(dian)子(zi)(zi)為產(chan)生的光粒子(zi)(zi)產(chan)生不可控的噪(zao)聲。噪(zao)聲，類似于不穩定的無線(xian)電(dian)頻(pin)率，會導(dao)致(zhi)光子(zi)(zi)頻(pin)率的波(bo)動(dong)，阻礙諸如糾纏等(deng)成功的量子(zi)(zi)操作。

       所使用的(de)(de)(de)金剛(gang)石材料的(de)(de)(de)一個(ge)特(te)點(dian)是其晶格中氮雜(za)質原子(zi)(zi)的(de)(de)(de)密度相(xiang)對較高。這些可能會在(zai)納米結構的(de)(de)(de)表面保護量子(zi)(zi)光(guang)源免受(shou)電(dian)子(zi)(zi)噪聲的(de)(de)(de)影響。“然而，確切(qie)的(de)(de)(de)物理過(guo)程需要在(zai)未來進行更詳細的(de)(de)(de)研究，”與(yu)Tim Schr?der教(jiao)授一起研究量子(zi)(zi)系統的(de)(de)(de)Laura Orphal-Kobin解釋說。

       從(cong)實驗(yan)觀(guan)察中得出的結(jie)論得到了統(tong)計(ji)模型和模擬的支持，來自同一研(yan)究(jiu)小組的Gregor Pieplow博士正(zheng)在與實驗(yan)物理學家一起開發和實施。

文獻信息：

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

 DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042

資料來源：柏林洪堡大(da)學

//doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011042