有缺陷的钻石：为量子通信网络提供关键技术！

导读

近日，美国普林斯顿大学（Princeton University）的研究人员采用合成钻石来制作新型量子通信网络的关键部件：量子中继器。

背景

钻石，以极度纯净著称，象征着爱情和忠贞。

然而，钻石也并非完美无瑕。虽然瑕疵影响了钻石的纯净度，但是对于制造量子位及高度安全的量子通信方式来说，瑕疵却具有非常关键的价值。例如，如果金刚石晶体中的碳原子被其他元素的原子取代，就会导致晶格缺陷。

然而，缺陷与量子位之间有什么联系呢？

我们可以这么来想：本来应处于钻石晶格中某一位置的碳原子消失了，从而留下“空位”。取代碳原子的其他元素的原子，与相邻格点中存在的“空位”相结合，就形成了某元素空位中心，例如：氮空位中心和硅空位中心。与这些空位中心相关的自由电子的“自旋”可能会产生叠加态，从而构成量子位。

氮空位中心

（图片来源：参考资料【2】）

硅空位中心

（图片来源：参考资料【3】）

在量子计算机的设计中，一直存在一个问题：如何从量子位中读出信息？然而，钻石中的缺陷提供了一种简单解决方案，因为它们是自然的发光体。实际上，钻石缺陷激发出的光子能够保持住量子的叠加态，因此它们可以在不同的量子设备之间传递信息。

创新

近日，美国普林斯顿大学（Princeton University）的研究人员就想到了采用钻石来打造新型量子通信网络。这种量子通信网络依赖于亚原子粒子的一种特性，也称为量子状态。研究人员相信，这种量子信息网络是极度安全的，同时也能让多台量子计算机一起工作解决现有技术手段无法解决的问题。

（图片来源：Frank Wojciechowski）

目前，科学家们设计这些网络的时候会面临一些挑战，包括如何跨越长距离保持脆弱的量子信息。但是，研究人员们想到采用合成钻石（人造钻石）达成可能的解决方案。

在一篇发表于本周的《科学（Science）》杂志的论文中，研究人员描述了他们采用钻石存储和传送量子信息的基本单位：量子位。在这种钻石中，他们用一个硅原子取代两个碳原子。

技术

在标准通信网络中，一种称为“中继器”的设备可以短暂地存储并重新传送信号，使之可以传输至更远的距离。普林斯顿大学电子工程系助理教授、首席研究员 Nathalie de Leon 表示，钻石可以作为基于量子位的网络的量子中继器。

量子中继器的想法由来已久。de Leon 表示：“但是，无人知道如何构建它们。我们过去一直在尝试寻找可以作为量子中继器主要组件的东西。”

制造量子中继器的关键挑战在于：寻找一种既可存储也可传输量子位的材料。迄今为止，传输量子位的最佳途径就是以光子的形式编码它们。目前大多数网络采用的光纤已经可以通过光子传输信息。但是，位于光纤中的量子位，只能在它们的特殊量子特性消失和信息被扰乱之前，短距离地传输。按照定义，光子以光速运动，因此捕获并存储光子非常困难。

研究人员们另辟蹊径，将目光投向用晶体之类的固体来提供存储功能。在晶体例如钻石中，理论上量子位可以从光子转变为电子，从而更易存储。进行这种转变的关键在于钻石中的缺陷，在这些位置，除了碳以外的其他元素的原子囚禁于碳晶格中。几百年之前，珠宝商们就已经知道钻石中的缺陷可以制造出不同的色彩。对于 de Leon 的团队来说，这些色彩中心，也被称为缺陷，代表了操控光线并创造出量子中继器的新机遇。

（图片来源：Nathalie de Leon 实验室）

之前，研究人员首先尝试了采用“氮空位”缺陷，但是却发现这些缺陷尽管存储了信息，但是它们没有正确的光学特性。然后，其他的研究人员决定审视“硅空位“，但是硅空位在将信息转化为光子的时候，缺少较长的相干时间。

de Leon 说：“我们问，‘我们对于照成这两种颜色中心局限性的原因了解多少？’。我们能否从头开始设计另外一种方案，解决所有这些问题？”普林斯顿大学领导的团队和他们的合作伙伴们决定对于缺陷的电荷进行实验。理论上说，硅空位应该是电中性的，但是结果却是附近其他的瑕疵为缺陷贡献了电荷。团队认为，电荷状态与保持电子以适当的方向自旋来存储量子位的能力之间可能存在一种联系。

研究人员与世界领先的人造工业金刚石供应商元素六（Element Six）合作，创造出一种电中性的硅空位。元素六公司首先利用碳原子层形成晶体。在这个过程中，他们添加了硼原子，它具有一种特殊的效应，可以挤出可能会损坏电中性的其他缺陷。

de Leon 表示：“在添加电荷或者减少电荷之间，我们必须进行一种电荷补偿的微妙设计。我们控制了钻石中背景缺陷的电荷分布，从而使得我们可以控制所关心的缺陷电荷状态。”

接下来，研究人员将硅离子植入到钻石中，然后加热钻石至高温，去除同样会贡献电荷的其他瑕疵。通过材料工程的几次迭代，加上与美国宝石学院的科学家们合作展开的分析，团队制造出了钻石中的中性硅空位。

价值

中性硅空位既有利于采用光子传输量子信息，也有利于采用电子存储量子信息，它是制造必要的量子特性：纠缠的关键要素。纠缠是指，粒子对即使在被分开的情况下也可以保持相关性。纠缠是量子信息安全的关键：接收者可以对于一对纠缠的粒子的测量进行比较，从而判断偷听者是否破坏了其中某条信息。

下一步的研究就是构建中性硅空位和光子电路之间的接口，将来自网络的光子带入或者带出颜色中心。

加州大学圣塔芭芭拉分校物理系教授 Ania Bleszynski Jayich 称，研究人员已经成功地克服了寻找有利于利用电子和光子的量子特性的钻石缺陷所面临的长期挑战。Jayich 表示：“论文作者们成功地用材料工程方案来识别颇具前景的基于缺陷的固态量子平台，突出展示了固态缺陷的多用途，并很可能启发对于更大截面材料以及缺陷候选材料的更广泛研究。”