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缺陷钻石植入为量子通信提供关键技术

2018-07-10

一个由普林斯顿大学领导的研究小组创造了一种钻石,它含有能够存储和传输量子信息的缺陷,用于未来的量子互联网。这些缺陷可以在较长时间内以电子的形式存储和存储量子信息并将其与光子连接起来。


钻石因其纯度而被珍视,但其缺陷可能是一种新型高安全通信的关键。


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亚原子粒子性质的通信网络,称为量子态。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,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面临着一些挑战,包括如何在长距离保持脆弱的量子信息。


现在,研究人员已经找到了使用人造钻石的可能解决方案。


在本周发表在《科学Science》杂志上的一篇文章中,研究人员描述了他们如何利用一个钻石取代了两个碳原子和一个硅原子来储存和传输量子信息,称为量子比特。


在标准通信网络中,被称为中继器的设备简单地存储和重新发送信号,以允许它们传输更大的距离。普林斯顿大学电气工程助理教授兼首席研究员Nathalie de Leon说,钻石可以作为基于量子比特的网络的量子中继器。


量子中继器的概念已经存在很长一段时间了,“但是没有人知道如何构建它们。” de Leon说。“我们正在努力寻找能充当量子中继器的主要部件的东西。”


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普林斯顿大学的研究人员正在使用钻石来保存脆弱的量子信息。图片来源:普林斯顿大学。


创建量子中继器的关键挑战是找到一种既能存储又能传输量子位的材料。到目前为止,传输量子比特的最好方法是将它们编码在光的粒子中,称为光子。目前在许多网络中使用的光纤已经通过光子传输信息。然而,光纤中的量子位在其特殊的量子特性丢失和信息被扰乱之前只能行进短距离。很难捕获和储存光子,光子的定义是以光速移动。


取而代之的是,研究人员已经观察到诸如晶体这样的固体来提供储存。在晶体,如钻石中,量子比特理论上可以从光子转移到电子,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,除了碳以外的元素被困在钻石的碳晶格中。珠宝商们已经知道,钻石中的杂质产生不同的颜色。对于de Leon的团队来说,这些色心被称为“杂质”,代表着操纵光并创造量子中继器的机会。


先前的研究者首先尝试使用氮空位缺陷,其中氮原子取代了一个碳原子,但是发现尽管这些缺陷存储信息,但是它们没有正确的光学特性。其他人则决定研究硅空位,即用硅原子取代碳原子。但是硅空位虽然能将信息传递给光子,但缺乏长的相干时间。


“我们就要探寻,我们知道什么导致了这两个色心的局限性?” de Leon说。“我们能从头开始设计其他东西,解决所有这些问题吗?”


普林斯顿大学领导的团队和他们的合作者决定对缺陷的电荷进行实验。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可以为缺陷提供电荷。研究小组认为电荷状态与保持电子自旋在适当方向上储存量子比特的能力之间可能存在某种联系。


研究人员与工业金刚石制造公司的Element Six合作,构建了电中性硅空位。元素六通过下层碳原子开始形成晶体。在这个过程中,他们加入了硼原子,这会挤出其他杂质,从而破坏中性电荷。


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上图所示由元素六生长的层状样品的光学显微镜图像。图片来源:Brendon Rose。


de Leon说:“我们必须在充电或带走电荷的事物之间进行这种精细的电荷补偿操作。我们控制从钻石中的背景缺陷的电荷分布,这使得我们能够控制我们关心的缺陷的电荷状态。”


接下来,研究人员将硅离子注入钻石中,然后将钻石加热到高温,以除去其他杂质,这些杂质也可以提供电荷。通过材料工程的多次迭代,加上与美国宝石学研究所科学家合作的分析,该小组在金刚石中产生中性硅空位。


中性硅空位在使用光子传输量子信息和使用电子存储量子信息方面都很好,这是产生所谓纠缠的本质量子性质的关键成分,它描述了即使对粒子对也保持关联。变得分离。纠缠是量子信息安全的关键:接收者可以比较他们的纠缠对的测量,看看窃听者是否破坏了其中的一条消息。


本研究的下一步是在中性硅空位与光子电路之间建立一个界面,将光子从网络中带入色心。


加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学教授Ania Bleszynski Jayich说,研究人员已经成功地找到了一个长期的挑战,即找到一个有利于光子和电子的量子特性的钻石缺陷。


“作者的材料工程方法成功地识别了有前途的固态缺陷量子平台,突出了固态缺陷的多功能性,并可能激发更大范围的材料和缺陷的更全面和更广泛的搜索。”Jayich说,他没有参与这项研究。


普林斯顿团队包括博士后研究员Brendon Rose,以及研究生Ding Huang 和 Zi-Huai Zhang,他们都是de Leon实验室的成员。de Leon团队还包括博士后的Paul Stevenson、Sorawis Sangtawesin和Srikanth Srinivasan她现在是IBM的博士后研究员。额外的贡献来自工作人员Alexei Tyryshkin和电气工程教授Stephen Lyon。该小组与Lorne Loudin在美国宝石学研究所和Matthew Markham,Andrew Edmonds和Daniel Twitchen在Element Six公司进行了合作。


原文:https://phys.org/news/2018-07-implanting-diamonds-flaws-key-technology.html


(来源:实验帮)

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