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含有（晶格）缺陷的鉆石，這些缺陷能夠用于存儲(chǔ)和傳輸量子信息

近日，美國(guó)普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的研究人員正在利用鉆石建立一個(gè)基于亞原子粒子的量子態(tài)特性的通信網(wǎng)絡(luò)。據(jù)《科學(xué)》（Science）雜志7月6日刊發(fā)的一篇研究論文稱，這些科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種利用合成鉆石的潛在解決方案，他們?cè)谖闹忻枋隽巳绾斡弥踩肴毕莺蟮你@石來(lái)存儲(chǔ)和傳輸量子比特信息（qubit，又稱量子位元）。

在標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)中，被稱為中繼器的設(shè)備會(huì)短暫地存儲(chǔ)和重新傳輸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。據(jù)該項(xiàng)目的首席研究員、普林斯頓大學(xué)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(wǎng)絡(luò)中的量子中繼器。制造量子中繼器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是找到一種既能存儲(chǔ)又能傳輸量子比特的物質(zhì)材料。研究人員已經(jīng)開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向作為儲(chǔ)存介質(zhì)的固體，比如晶體，因?yàn)樵谌玢@石這樣的晶體中，量子比特在理論上可以從光子轉(zhuǎn)化到電子上，這樣更容易儲(chǔ)存。而能夠進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵位置是鉆石內(nèi)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，珠寶商知道鉆石中的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色一樣，對(duì)德萊昂的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這些被稱為雜質(zhì)的“顏色中心”（color center）預(yù)示著對(duì)光進(jìn)行操縱調(diào)節(jié)，從而制造出量子中繼器的機(jī)會(huì)。

該研究團(tuán)隊(duì)首先在鉆石中植入了被稱為“氮-空位”的缺陷——用一個(gè)氮原子取代鉆石中的一個(gè)碳原子，隨后他們發(fā)現(xiàn)，雖然這種缺陷能儲(chǔ)存信息，但并不具有正確的光學(xué)特性。他們隨即又開(kāi)始嘗試實(shí)驗(yàn)“硅-空位”，最初的結(jié)果反映它能將信息傳遞給光子，但是缺乏長(zhǎng)時(shí)間的相干性。于是他們決定針對(duì)該缺陷的電荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。理論上，“硅-空穴”應(yīng)該是中性的，即帶零電荷的，然而事實(shí)卻證明，其附近的其它雜質(zhì)也會(huì)賦予缺陷電荷。研究小組推測(cè)認(rèn)為，電荷的狀態(tài)和讓電子在正確方向上保持自旋狀態(tài)、從而存儲(chǔ)量子比特的能力之間可能存在著某種聯(lián)系。通過(guò)與一家鉆石制造商合作，他們構(gòu)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(jìn)行微妙的電荷抵消與平衡。我們通過(guò)控制來(lái)自鉆石中背景缺陷中的電荷分布，從而控制我們所關(guān)心的那些缺陷的電荷狀態(tài)。”接下來(lái)，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(chǎn)生電荷的雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)材料工程手法的多次迭代，再加上與美國(guó)寶石學(xué)會(huì)（Gemological Institute of America）的科學(xué)家進(jìn)行的合作分析，該團(tuán)隊(duì)最終制造出了鉆石中的中性“硅-空位”。

中性“硅-空位”既擅長(zhǎng)用光子傳輸量子信息，又擅長(zhǎng)用電子存儲(chǔ)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(duì)粒子在分離的狀態(tài)下也能保持相互關(guān)聯(lián)——的關(guān)鍵要素。量子糾纏是實(shí)現(xiàn)量子信息高度安全性的前提與關(guān)鍵：接收的雙方可以測(cè)量比較他們所收到的、成對(duì)的糾纏信息，看看竊聽(tīng)者是否對(duì)其中一條消息進(jìn)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(gè)接口，以便來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的光子能夠進(jìn)出顏色中心。