導讀
近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員採用合成鑽石來製作新型量子通信網絡的關鍵部件：量子中繼器。
背景
鑽石，以極度純淨著稱，象徵著愛情和忠貞。
然而，鑽石也並非完美無瑕。雖然瑕疵影響了鑽石的純淨度，但是對於製造量子位及高度安全的量子通信方式來說，瑕疵卻具有非常關鍵的價值。例如，如果金剛石晶體中的碳原子被其他元素的原子取代，就會導致晶格缺陷。
然而，缺陷與量子位之間有什麼聯繫呢？
我們可以這麼來想：本來應處於鑽石晶格中某一位置的碳原子消失了，從而留下“空位”。取代碳原子的其他元素的原子，與相鄰格點中存在的“空位”相結合，就形成了某元素空位中心，例如：氮空位中心和硅空位中心。與這些空位中心相關的自由電子的“自旋”可能會產生疊加態，從而構成量子位。
氮空位中心
硅空位中心
在量子計算機的設計中，一直存在一個問題：如何從量子位中讀出信息？然而，鑽石中的缺陷提供了一種簡單解決方案，因為它們是自然的發光體。實際上，鑽石缺陷激發出的光子能夠保持住量子的疊加態，因此它們可以在不同的量子設備之間傳遞信息。
創新
近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員就想到了採用鑽石來打造新型量子通信網絡。這種量子通信網絡依賴於亞原子粒子的一種特性，也稱為量子狀態。研究人員相信，這種量子信息網絡是極度安全的，同時也能讓多臺量子計算機一起工作解決現有技術手段無法解決的問題。
目前，科學家們設計這些網絡的時候會面臨一些挑戰，包括如何跨越長距離保持脆弱的量子信息。但是，研究人員們想到採用合成鑽石（人造鑽石）達成可能的解決方案。
在一篇發表於本週的《科學（Science）》雜誌的論文中，研究人員描述了他們採用鑽石存儲和傳送量子信息的基本單位：量子位。在這種鑽石中，他們用一個硅原子取代兩個碳原子。
技術
在標準通信網絡中，一種稱為“中繼器”的設備可以短暫地存儲並重新傳送信號，使之可以傳輸至更遠的距離。普林斯頓大學電子工程系助理教授、首席研究員 Nathalie de Leon 表示，鑽石可以作為基於量子位的網絡的量子中繼器。
量子中繼器的想法由來已久。de Leon 表示：“但是，無人知道如何構建它們。我們過去一直在嘗試尋找可以作為量子中繼器主要組件的東西。”
製造量子中繼器的關鍵挑戰在於：尋找一種既可存儲也可傳輸量子位的材料。迄今為止，傳輸量子位的最佳途徑就是以光子的形式編碼它們。目前大多數網絡採用的光纖已經可以通過光子傳輸信息。但是，位於光纖中的量子位，只能在它們的特殊量子特性消失和信息被擾亂之前，短距離地傳輸。按照定義，光子以光速運動，因此捕獲並存儲光子非常困難。
研究人員們另闢蹊徑，將目光投向用晶體之類的固體來提供存儲功能。在晶體例如鑽石中，理論上量子位可以從光子轉變為電子，從而更易存儲。進行這種轉變的關鍵在於鑽石中的缺陷，在這些位置，除了碳以外的其他元素的原子囚禁於碳晶格中。幾百年之前，珠寶商們就已經知道鑽石中的缺陷可以製造出不同的色彩。對於 de Leon 的團隊來說，這些色彩中心，也被稱為缺陷，代表了操控光線並創造出量子中繼器的新機遇。
之前，研究人員首先嚐試了採用“氮空位”缺陷，但是卻發現這些缺陷儘管存儲了信息，但是它們沒有正確的光學特性。然後，其他的研究人員決定審視“硅空位“，但是硅空位在將信息轉化為光子的時候，缺少較長的相干時間。
de Leon 說：“我們問，‘我們對於照成這兩種顏色中心侷限性的原因瞭解多少？’。我們能否從頭開始設計另外一種方案，解決所有這些問題？”普林斯頓大學領導的團隊和他們的合作伙伴們決定對於缺陷的電荷進行實驗。理論上說，硅空位應該是電中性的，但是結果卻是附近其他的瑕疵為缺陷貢獻了電荷。團隊認為，電荷狀態與保持電子以適當的方向自旋來存儲量子位的能力之間可能存在一種聯繫。
研究人員與世界領先的人造工業金剛石供應商元素六（Element Six）合作，創造出一種電中性的硅空位。元素六公司首先利用碳原子層形成晶體。在這個過程中，他們添加了硼原子，它具有一種特殊的效應，可以擠出可能會損壞電中性的其他缺陷。
de Leon 表示：“在添加電荷或者減少電荷之間，我們必須進行一種電荷補償的微妙設計。我們控制了鑽石中背景缺陷的電荷分佈，從而使得我們可以控制所關心的缺陷電荷狀態。”
接下來，研究人員將硅離子植入到鑽石中，然後加熱鑽石至高溫，去除同樣會貢獻電荷的其他瑕疵。通過材料工程的幾次迭代，加上與美國寶石學院的科學家們合作展開的分析，團隊製造出了鑽石中的中性硅空位。
價值
中性硅空位既有利於採用光子傳輸量子信息，也有利於採用電子存儲量子信息，它是製造必要的量子特性：糾纏的關鍵要素。糾纏是指，粒子對即使在被分開的情況下也可以保持相關性。糾纏是量子信息安全的關鍵：接收者可以對於一對糾纏的粒子的測量進行比較，從而判斷偷聽者是否破壞了其中某條信息。
下一步的研究就是構建中性硅空位和光子電路之間的接口，將來自網絡的光子帶入或者帶出顏色中心。
加州大學聖塔芭芭拉分校物理系教授 Ania Bleszynski Jayich 稱，研究人員已經成功地克服了尋找有利於利用電子和光子的量子特性的鑽石缺陷所面臨的長期挑戰。Jayich 表示：“論文作者們成功地用材料工程方案來識別頗具前景的基於缺陷的固態量子平臺，突出展示了固態缺陷的多用途，並很可能啟發對於更大截面材料以及缺陷候選材料的更廣泛研究。”
關鍵字
量子、硅、鑽石
【1】https://www.princeton.edu/news/2018/07/05/implanting-diamonds-flaws-provide-key-technology-quantum-communications
【2】https://www.nature.com/articles/ncomms3254
【3】https://www.nature.com/articles/ncomms15376
【4】Brendon C. Rose, Ding Huang, Zi-Huai Zhang, Paul Stevenson, Alexei M. Tyryshkin, Sorawis Sangtawesin, Srikanth Srinivasan, Lorne Loudin, Matthew L. Markham, Andrew M. Edmonds, Daniel J. Twitchen, Stephen A. Lyon, Nathalie P. de Leon. Observation of an environmentally insensitive solid-state spin defect in diamond. Science, 2018; 361 (6397): 60 DOI: 10.1126/science.aao0290
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