Science：具有缺陷的钻石为量子通信提供了关键技术

图片由普林斯顿大学博士后研究员Paul Stevenson提供

图为在普林斯顿大学带领下的研究团队所创造的在存储和传输量子信息方面存在缺陷的钻石，可用于未来的“量子互联网”。这些缺陷可以在长时间内以电子的形式传输和存储量子信息，并将其有效地与光子联系起来。

钻石因纯度高而价格高，但它们的缺陷却可能成为新一代高度安全通信的关键。

普林斯顿大学的研究人员正在尝试使用钻石来建立通信系统，使其可以依赖所谓的量子态的亚原子粒子的特性来通信。

研究人员认为，这种量子信息网络在未来安全系数很高，并且还可以和新型量子计算机共同工作来完成目前无法解决的问题。但目前，设计这些网络通信的科学家面临着一些挑战，其中包括如何长距离保存脆弱的量子信息。

现在，研究人员通过使用合成钻石找到了可能解决问题的方案。

本周，在《Science》上发表的的一篇文章中，研究人员详细描述了他们如何存储和传输比特量子信息（量子比特），即使用的是一个硅原子代替钻石中的两个碳原子。

在标准通信网络中，转发器只能通过短期存储和重新发送信号来增长通信距离。普林斯顿大学电子工程系的助理教授兼首席研究员Nathalie de Leon表示，这些钻石可以用作网络通信中基于量子比特的量子转发器。

“其实量子转发器这一概念已经存在了很长时间，但没有人知道如何构建它们，所以我们试图找到一些可以作为量子主要组件的东西。”de Leon 说道。

创建量子转发器的关键是找到一种既可以存储又能传输量子比特的材料。到目前为止，传输量子的最佳方法是将它们编码为光粒子（又称为光子）。目前大部分网络中所使用的光纤都是通过光子传输信息。然而，光纤中的量子由于其特殊的量子特性，传输距离短且信息易被扰乱。光子是以光速移动的，因此很难固定和存储它。

相反的，研究人员通过研究晶体类的固体来发现如何提供储存。在类似钻石此类的晶体中，量子比特在理论上可以从光子转移到更容易存储的电子中。而进行这种转移的关键位置就是钻石中的缺陷点，其中除了碳以外的元素被是被困在钻石的碳晶格中。几百年以来，珠宝商早已经知道钻石中的杂质会产生不同的颜色。对于Leon的团队来说，钻石中的由杂质产生的色心，代表着有机会操纵光子并创造量子转发器。

在此之前，研究人员首先尝试使用氮空位缺陷，即使用氮原子取代一个碳原子。然而却发现尽管这些缺陷可以存储信息，但它们不具备真正的光学特性。其他人因此决定用硅原子取代碳原子来研究硅空位缺陷。然而遗憾的是，硅空位虽然可以将信息传递给光子，但时间一长，连贯性就变得很差。

de Leon 说道：“我们很困惑，该怎么知道导致这两个色心的局限性的原因？我们可以从头开始研究其他东西来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共同决定试验具有缺陷的电荷。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会给硅空位的缺陷带来电荷。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某种关联，才能够正确的存储量子方向。

研究人员与人造工业钻石制造公司Element Six共同合作，致力于建造具有电中性的硅空位。Element Six主要通过铺设碳原子层开始形成晶体。在此过程中，他们添加了硼原子，使其挤出有可能破坏硅空位电中性的其他杂质。

de Leon 表示：“我们必须在可以增加电荷或消失电荷这两者之间进行这种微妙的平衡电荷转移。我们控制钻石背景缺陷中的电荷分布，这使我们能够控制我们所关注的缺陷的电荷分布状态。”

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，以及与美国宝石学院的科学家们合作进行分析，该团队最终制作了电荷中性的硅空位缺陷。

中性硅空位擅长利用光子传输量子信息以及使用电子存储量子信息，其中电子是互相纠缠的保持基本量子特性的关键因素，它说明了粒子对即使分离也可以保持相关性。电子对互相纠缠是量子信息安全的关键，换句话说，接收者可以比较纠缠电子对的测量结果，以确定窃听者是否损坏了其中一条消息。

该研究的下一步是中性硅空位和光子电路之间建立一个界面，使光子容易从网络信息进出色心。

加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学教授Ania Bleszynski Jayich提出，研究人员成功地遇到了一个长期挑战，那就是找到钻石中有利于处理光子和电子量子特性的缺陷。

“作者所使用的材料工程方法成功识别出了其独特性，即基于固态缺陷的量子平台成功突出了固态缺陷的多功能性，并有可能通过大的横截面和缺陷候选人来激发更全面和更广泛的材料研究。”没参与此项研究的Jayich如此说道。

普林斯顿大学的团队包括博士后研究员Brendon Rose，以及de Leon实验室的成员Ding Huang和Zi-Huai Zhang。 de Leon团队还包括博士后研究员Paul Stevenson，Sorawis Sangtawesin和现任IBM的以前的博士后研究员Srikanth Srinivasan。其他贡献来自研究员Alexei Tyryshkin和电气工程教授Stephen Lyon。该团队与美国宝石学院的Lorne Loudin以及人造工业钻石制造公司Element Six的Matthew Markham，Andrew Edmonds和Daniel Twitchen合作。

这项工作得到美国国家科学基金会EFRI ACQUIRE项目（批准号1640959）和普林斯顿综合材料研究所（PCCM）的材料研究科学与工程中心（DMR-1420541）的支持。该材料还有来自空军科学研究局（AFOSR）的支持，编号为FA9550-17-0158。 D.H.由衷感谢来自新加坡科技研究所（A * STAR）利用国家科学奖学金来支持我们。

文章来源于sciencedaily网站，由材料新闻在线团队编译，原文题目：Implanting diamonds with flaws offers key technology for quantum communications