使用金刚石纳米结构向量子互联网迈出重要一步

　　金刚石纳米结构中的缺陷中心可以用作量子比特。通过量子运算（纠缠），量子信息可以存储在发射的单光子中，并在未来的量子互联网中以光纤传输。图片来源：柏林洪堡大学

　　金刚石材料对于量子互联网等未来技术非常重要。特殊的缺陷中心可以用作量子比特（qubits），并发射称为单光子的单个光粒子。

　　为了在量子网络中以可行的通信速率在长距离上实现数据传输，必须将所有光子收集在光纤中并传输而不会丢失。还必须确保这些光子都具有相同的颜色，即相同的频率。到目前为止，满足这些要求是不可能的。

　　由柏林洪堡大学的Tim Schröder教授领导的“集成量子光子学”小组的研究人员在全球范围内首次成功地产生和检测从量子光源发射的稳定光子频率的光子，或者更准确地说，从金刚石纳米结构中的氮空位缺陷中心发射。

　　这是通过仔细选择钻石材料来实现的;在费迪南德-布劳恩研究所、莱布尼茨-赫希斯特雷库茨技术学院金刚石纳米光子学联合实验室进行的复杂纳米制造方法;和具体的实验控制方案。通过结合这些方法，可以显着降低先前干扰数据传输的电子噪声，并且光子以稳定的（通信）频率发射。

　　黑暗中的NV（制度3）。（a）快门实验，其中我们在PLE扫描20秒和阻挡辐射60秒之间交替进行。当进行PLE扫描时，ZPL共振的中心频率是从Voigt拟合（灰点）中提取的。在这里，示例性地展示了一个数据集。（b）从许多数据集中获得的光谱偏移的发生。提取的“激光开启”光谱扩散值对应于在20 s周期内记录的跨度频率范围。“激光关闭”的光谱扩散是从阻挡激光之前的最后一次PLE扫描和阻挡激光后的第一次扫描的光谱差异中提取的，如图（a）所示。学分：物理评论X（2023）。DOI：10.1103/PhysRevX.13.011042

　　此外，柏林的研究人员表明，在开发的方法的帮助下，空间分离的量子系统之间的当前通信速率可以提高1倍以上-这是向未来量子互联网迈出的重要一步。

　　科学家们已经将单个量子位集成到优化的金刚石纳米结构中。这些结构比人类头发细1倍，可以以定向方式将发射的光子转移到玻璃纤维中。

　　然而，在纳米结构的制造过程中，材料表面在原子水平上受到破坏，自由电子为产生的光粒子产生无法控制的噪声。噪声与不稳定的射频相当，会导致光子频率的波动，从而阻止成功的量子操作，例如纠缠。

　　所用金刚石材料的一个特点是晶格中氮杂质原子的密度相对较高。这些可能保护量子光源免受纳米结构表面的电子噪声的影响。“然而，确切的物理过程需要在未来进行更详细的研究，”与Tim Schröder教授一起研究量子系统的Laura Orphal-Kobin解释说。

　　从实验观察中得出的结论得到了统计模型和模拟的支持，来自同一研究小组的Gregor Pieplow博士正在与实验物理学家一起开发和实施。