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Implanting diamonds with flaws to provide key technology for quantum communications

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(Princeton University)的研究人员正在利用人造钻石帮助创建一个通讯网络,该网络依赖于亚原子粒子的量子态特性。研究人员认为,这样的量子信息网络将是极其安全的,而且还可以让新的量子计算机协同工作,解决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几个挑战,包括如何在长距离保存脆弱的量子信息。

现在,研究人员已经用实验室制造的钻石找到了一种可能的解决方案,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能够存储和传输量子信息比特,即量子比特。他们使用一颗钻石,用一个硅原子替换了两个碳原子。

Graphic showing quantum information being retransmitted through a diamond

德莱昂实验室对构成钻石的碳原子晶格中的原子进行了小的替换,使钻石可以充当量子中继器,这是一种可以在很长一段距离内短暂存储和重新传输量子信息的设备。

在标准的通信网络中,称为中继器的设备短暂地存储和重传信号,使它们能够传输更远的距离。普林斯顿大学(Princeton University)电子工程助理教授、首席研究员娜塔莉•德莱昂(Nathalie de Leon)表示,这些钻石可以作为基于量子位元的网络的量子中继器。

量子中继器的想法已经存在很长时间了,“但没有人知道如何建造它们,”德莱昂说。“我们试图找到一些东西,可以作为量子中继器的主要组件。”

创建量子中继器的关键挑战是找到一种既能存储量子位元又能传输量子位元的材料。到目前为止,传输量子位元的最佳方式是将它们编码为光的粒子,即光子。目前网络中使用的光纤已经通过光子传输信息。然而,光纤中的量子位元在失去其特殊的量子特性和信息被打乱之前只能走很短的距离。光子以光速运动,因此很难捕获和储存光子。

相反,研究人员已经将目光转向晶体等固体来提供储存。在晶体中,比如钻石,量子位元理论上可以从光子转移到更容易储存的电子。进行这种转移的关键是钻石内部的缺陷,即除了碳以外的其他元素被困在钻石的碳晶格中。珠宝商几个世纪以来就知道钻石中的杂质会产生不同的颜色。对德莱昂的团队来说,这些被称为杂质的颜色中心,代表着操纵光和创建量子中继器的机会。

之前的研究人员首次尝试使用氮空位缺陷——氮原子取代碳原子的位置——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缺——用硅原子取代碳原子。但是硅空位虽然可以将信息传递给光子,却缺少较长的相干时间。

“我们问,‘关于这两个颜色中心的局限性,我们知道些什么?’”德莱昂说。“我们能不能从零开始设计别的东西,能解决所有这些问题的东西?”

普林斯顿大学领导的研究小组和他们的合作者决定用这个缺陷的电荷来做实验。理论上硅空位应该是电中性的,但事实证明,附近的其他杂质也会对缺陷产生电荷。研究小组认为,电荷状态和保持电子自旋在适当方向以存储量子位元的能力之间可能存在联系。

研究人员与工业金刚石制造公司Element Six合作,建造了电中性硅空位。6号元素由碳原子层开始形成晶体。在这个过程中,他们加入了硼原子,硼原子的作用是排挤掉可能破坏中性电荷的其他杂质。

德莱昂说:“我们必须在收费补偿和收费补偿之间跳一段微妙的舞蹈。“我们控制钻石中背景缺陷的电荷分布,这让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,以去除其他可能带来电荷的杂质。经过几次材料工程学的反复研究,再加上与美国宝石学会(Gemological Institute of America)科学家合作进行的分析,该团队制造出了钻石中的中性硅空位。

中性硅空位既擅长利用光子传输量子信息,也擅长利用电子存储量子信息,而电子是创造量子纠缠特性的关键因素。纠缠特性描述了粒子对即使分离,也如何保持关联。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值,看看窃听者是否破坏了其中一条消息。

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,使光子从网络进入和离开颜色中心。

加州大学圣芭芭拉分校的物理学教授Ania Bleszynski Jayich说,研究人员已经成功地解决了一个长期存在的难题,即找到一种钻石瑕疵,其特征有利于研究光子和电子的量子特性。

”成功的作者的材料工程的方法来识别有前途的固态量子平台defect-based突出了固态的多功能性缺陷,并有可能激发一个更全面的和广泛的搜索更大截面的材料和缺陷候选人,“Jayich说,他没有参与这项研究。

普林斯顿大学的研究团队包括博士后研究员布伦登·罗斯(Brendon Rose)、研究生丁煌和张子怀(Zi-Huai Zhang),他们都是德莱昂实验室的成员。德莱昂的研究团队还包括博士后研究员保罗史蒂文森(Paul Stevenson)、索拉维斯桑塔维辛(Sorawis Sangtawesin)和斯里坎思斯里尼瓦桑(Srikanth Srinivasan)。研究人员阿列克谢·泰雷什金(Alexei Tyryshkin)和电气工程教授斯蒂芬·里昂(Stephen Lyon)也做出了贡献。该团队与美国宝石学会的洛恩•劳登、Element Six的马修•马卡姆、安德鲁•埃德蒙兹和丹尼尔•特维奇恩合作。

这项工作由美国国家科学基金会(EFRI ACQUIRE program)(批准号1640959)和普林斯顿复杂材料中心(Princeton Center for Complex Materials,一个材料研究科学和工程中心)(dmrr -1420541)资助。该材料还基于空军科研办公室根据编号为FA9550-17-0158的合同所支持的工作。D.H.感谢新加坡科学、技术和研究机构(a *STAR)提供的国家科学奖学金的支持。

美国能源部(U.S. Department of Energy)最近授予德莱昂5年的科学办公室早期职业研究项目(Office of Science early career Research Program)资助,以表彰她对钻石材料性能的研究。

研究”,观察环境不敏感的固态自旋缺陷的钻石,”布兰登c .玫瑰,黄叮Zi-Huai,保罗•史蒂文森阿列克谢•m . Tyryshkin Sorawis Sangtawesin, Srikanth Srinivasan, Lorne Loudin,马修·l·马卡姆安德鲁·m·埃德蒙兹Daniel j . Twitchen斯蒂芬·a·里昂和娜塔莉·德莱昂发表在《科学》杂志上。