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含有（晶格）缺陷的鉆石，這些缺陷能夠用于存儲和傳輸量子信息

近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員正在利用鉆石建立一個基于亞原子粒子的量子態特性的通信網絡。據《科學》（Science）雜志7月6日刊發的一篇研究論文稱，這些科學家們已經找到了一種利用合成鉆石的潛在解決方案，他們在文中描述了如何用植入缺陷后的鉆石來存儲和傳輸量子比特信息（qubit，又稱量子位元）。

在標準的通信網絡中，被稱為中繼器的設備會短暫地存儲和重新傳輸信號，從而實現遠距離傳輸。據該項目的首席研究員、普林斯頓大學電子工程助理教授納塔莉·德萊昂（Nathalie de Leon）介紹，這類鉆石可作為基于量子比特搭建的通信網絡中的量子中繼器。制造量子中繼器的關鍵挑戰是找到一種既能存儲又能傳輸量子比特的物質材料。研究人員已經開始把目光轉向作為儲存介質的固體，比如晶體，因為在如鉆石這樣的晶體中，量子比特在理論上可以從光子轉化到電子上，這樣更容易儲存。而能夠進行這種轉化的關鍵位置是鉆石內部的晶格缺陷，在這些缺陷中，除了碳以外的其他元素被困在鉆石的碳晶格中。就像幾個世紀以來，珠寶商知道鉆石中的雜質會產生不同的顏色一樣，對德萊昂的團隊來說，這些被稱為雜質的“顏色中心”（color center）預示著對光進行操縱調節，從而制造出量子中繼器的機會。

該研究團隊首先在鉆石中植入了被稱為“氮-空位”的缺陷——用一個氮原子取代鉆石中的一個碳原子，隨后他們發現，雖然這種缺陷能儲存信息，但并不具有正確的光學特性。他們隨即又開始嘗試實驗“硅-空位”，最初的結果反映它能將信息傳遞給光子，但是缺乏長時間的相干性。于是他們決定針對該缺陷的電荷進行實驗。理論上，“硅-空穴”應該是中性的，即帶零電荷的，然而事實卻證明，其附近的其它雜質也會賦予缺陷電荷。研究小組推測認為，電荷的狀態和讓電子在正確方向上保持自旋狀態、從而存儲量子比特的能力之間可能存在著某種聯系。通過與一家鉆石制造商合作，他們構建出了中性的“硅-空位”。德萊昂介紹道：“我們必須在增加電荷或減少電荷之間進行微妙的電荷抵消與平衡。我們通過控制來自鉆石中背景缺陷中的電荷分布，從而控制我們所關心的那些缺陷的電荷狀態�！苯酉聛�，研究人員將硅離子植入到鉆石中，然后將鉆石加熱至高溫，以去除其它可能產生電荷的雜質。通過對材料工程手法的多次迭代，再加上與美國寶石學會（Gemological Institute of America）的科學家進行的合作分析，該團隊最終制造出了鉆石中的中性“硅-空位”。

中性“硅-空位”既擅長用光子傳輸量子信息，又擅長用電子存儲量子信息，而這兩者都是生成被稱為“量子糾纏”——一種量子基本特性，即一對粒子在分離的狀態下也能保持相互關聯——的關鍵要素。量子糾纏是實現量子信息高度安全性的前提與關鍵：接收的雙方可以測量比較他們所收到的、成對的糾纏信息，看看竊聽者是否對其中一條消息進行了破壞。該研究的下一步是在中性“硅-空位”和光子電路之間建立一個接口，以便來自網絡的光子能夠進出顏色中心。