研究人员利用钻石纳米结构向量子互联网迈出了重要一步
发布时间：2023-04-07 08:00:00 阅读数： 58
钻石纳米结构中的缺陷中心可以作为量子比特使用。通过量子操作（纠缠），量子信息可以存储在发射的单光子中，并在未来的量子互联网中通过光纤传输。资料来源：柏林洪堡大学
钻石材料对未来的技术，如量子互联网具有重要意义。特殊的缺陷中心可以作为量子比特（qubits），并发射出被称为单光子的单一光粒子。
为了在量子网络中以可行的通信速率进行数据传输，所有的光子必须被收集在光纤中，并在传输过程中不会丢失。还必须确保这些光子都具有相同的颜色，即相同的频率。到目前为止，满足这些要求是不可能的。
柏林洪堡大学蒂姆-施罗德教授领导的 "集成量子光子学 "小组的研究人员在全世界范围内首次成功地生成并检测了从量子光源，或者更准确地说，从钻石纳米结构的氮空穴缺陷中心发射的具有稳定光子频率的光子。
这是通过精心选择钻石材料；在莱布尼兹高频技术研究所费迪南德-布朗联合实验室进行的复杂的纳米制造方法；以及特定的实验控制协议实现的。通过结合这些方法，以前干扰数据传输的电子噪音可以大大减少，而光子则以稳定的（通信）频率发射。
在黑暗中的NV（制度3）。(a) 在快门实验中，我们在PLE扫描20秒和阻断辐射60秒之间交替进行。当进行PLE扫描时，ZPL共振的中心频率从Voigt拟合中提取（灰色点）。这里，示例性地介绍了一组数据。(b) 从许多数据集获得的光谱偏移的发生。提取的 "激光开启 "的光谱扩散值对应于20秒内记录的跨度频率范围。"激光关闭 "的光谱扩散是从阻断激光前的最后一次PLE扫描和阻断激光后的第一次扫描的光谱差异中提取的，如面板（a）中所示。资料来源：《物理评论》X（2023）。DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042
此外，柏林的研究人员表明，在所开发的方法的帮助下，目前空间上分离的量子系统之间的通信速率可望提高1000倍以上--这是向未来的量子互联网迈出的重要一步。
科学家们已经将单个量子比特集成到优化的钻石纳米结构中。这些结构比人的头发还要细1000倍，使其有可能以定向方式将发射的光子转移到玻璃纤维中。
然而，在制造纳米结构的过程中，材料表面在原子水平上被损坏，自由电子为产生的光粒子创造了不可控制的噪音。噪声与不稳定的无线电频率相当，导致光子频率的波动，阻止成功的量子操作，如纠缠。
所用钻石材料的一个特点是其晶格中的氮杂质原子密度相对较高。这些可能屏蔽了量子光源在纳米结构表面的电子噪声。"与蒂姆-施罗德教授一起研究量子系统的劳拉-奥法尔-科宾解释说："然而，确切的物理过程需要在未来进行更详细的研究。
从实验观察中得出的结论得到了统计模型和模拟的支持，同一研究小组的Gregor Pieplow博士正在与实验物理学家们一起开发和实施这些模型。
该论文发表在《物理评论X》杂志上。
参考资料
Laura Orphal-Kobin et al, Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042
