金剛石納米結構中的缺陷中心可以用作量子比特。通過量子運算（糾纏），量子信息可以存儲在發射的單光子中，并在未來的量子互聯網中以光纖傳輸。

圖片來源：柏林洪堡大學

       金剛石通常與昂貴的珠寶或工業磨料聯系在一起；然而，它也是量子計算和通信下一個時代的一個有前途的平臺。金剛石中的光敏原子尺度缺陷可以作為優秀的量子比特，并發射稱為單光子的單光粒子。一個被充分研究的缺陷，氮空位(NV)缺陷，已經被證明是一種量子存儲器，但有效地使用NV進行量子信息處理任務仍然是一個重大挑戰。

       為了在量子網絡中以可行的通信速率長距離傳輸數據，所有光子必須在光纖中收集并傳輸而不丟失。還必須確保這些光子都具有相同的顏色，即相同的頻率。直到現在，滿足這些要求都是不可能的。

       由柏林洪堡大學的Tim Schr?der教授領導的“集成量子光子學”小組的研究人員在全球范圍內首次成功地產生和檢測從量子光源發射的穩定光子頻率的光子，或者更準確地說，從金剛石納米結構中的氮空位缺陷中心發出的光子。

       這是通過仔細選擇鉆石材料來實現的；在費迪南德-布勞恩研究所、萊布尼茨-赫希斯特雷庫茨技術學院金剛石納米光子學聯合實驗室進行的復雜納米制造方法和具體的實驗控制方案。通過結合這些方法，可以顯著降低先前干擾數據傳輸的電子噪聲，并以穩定的(通信)頻率發射光子。

納入納米柱中的NV示意圖

       黑暗中的NV。（a） 快門實驗，其中我們在PLE掃描20秒和阻擋輻射60秒之間交替進行。當進行PLE掃描時，ZPL共振的中心頻率是從Voigt擬合（灰點）中提取的。在這里，示例性地展示了一個數據集。（b） 從許多數據集中獲得的光譜偏移的發生。提取的“激光開啟”光譜擴散值對應于在 20 s 周期內記錄的跨度頻率范圍。“激光關閉”的光譜擴散是從阻擋激光之前的最后一次PLE掃描和阻擋激光后的第一次掃描的光譜差異中提取的，如圖（a）所示。

       來源：Physical Review X （2023）。DOI：10.1103/PhysRevX.13.011042

       此外，柏林大學的研究人員表示，在開發的方法的幫助下，空間分離的量子系統之間目前的通信速率有望提高1000倍以上，這是向未來量子互聯網邁出的重要一步。

       科學家們已經將單個量子比特集成到優化的金剛石納米結構中。這些結構比人的頭發還要細1000倍，可以將發射的光子定向轉移到玻璃纖維中。

       然而，在納米結構的制造過程中，材料表面在原子水平上被破壞，自由電子為產生的光粒子產生不可控的噪聲。噪聲，類似于不穩定的無線電頻率，會導致光子頻率的波動，阻礙諸如糾纏等成功的量子操作。

       所使用的金剛石材料的一個特點是其晶格中氮雜質原子的密度相對較高。這些可能會在納米結構的表面保護量子光源免受電子噪聲的影響。“然而，確切的物理過程需要在未來進行更詳細的研究，”與Tim Schr?der教授一起研究量子系統的Laura Orphal-Kobin解釋說。

       從實驗觀察中得出的結論得到了統計模型和模擬的支持，來自同一研究小組的Gregor Pieplow博士正在與實驗物理學家一起開發和實施。

文獻信息：

Laura Orphal-Kobin et al, Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures, Physical Review X (2023). 

 DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042

資料來源：柏林洪堡大學

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011042