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

       金剛石材料對于量子互聯網等未來技術非常重要。特殊的缺陷中心可以用作量子比特（qubits），并發射稱為單光子的單個光粒子。

       為了在量子網絡中以可行的通信速率在長距離上實現數據傳輸，必須將所有光子收集在光纖中并傳輸而不會丟失。還必須確保這些光子都具有相同的顏色，即相同的頻率。到目前為止，滿足這些要求是不可能的。

       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射。

       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，并且光子以穩定的（通信）頻率發射。

       黑暗中的NV（制度3）。（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。學分：物理評論 X （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.011042

       此外，柏林的研究人員表明，在開發的方法的幫助下，空間分離的量子系統之間的當前通信速率可以提高1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位集成到優化的金剛石納米結構中。這些結構比人類頭發細1倍，可以以定向方式將發射的光子轉移到玻璃纖維中。

       然而，在納米結構的制造過程中，材料表面在原子水平上受到破壞，自由電子為產生的光粒子產生無法控制的噪聲。噪聲與不穩定的射頻相當，會導致光子頻率的波動，從而阻止成功的量子操作，例如糾纏。

       所用金剛石材料的一個特點是晶格中氮雜質原子的密度相對較高。這些可能保護量子光源免受納米結構表面的電子噪聲的影響。“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。

       該論文發表在《物理評論X》雜志上。

       更多信息：Laura Orphal-Kobin 等人，金剛石納米結構中的光學相干氮空位缺陷中心，物理評論 X （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.011042