2024年6月13日，阿贡国家实验室官网上发布一则最新动态，在美国能源部国家量子信息科学研究中心（Q-NEXT ）支持下，斯坦福大学的一个研究小组对钻石进行了深入研究，找到了其在发射量子信号时表现出不稳定特性的根源，为构建量子网络和传感器铺平了道路。
据了解，Q-NEXT量子中心是“下一代量子科学和工程”的简称，是在美国《国家量子计划法案》（2018年）指导下，由美国阿贡国家实验室2020年牵头组建的国家量子信息科学中心，重点开发安全的量子通信链路和传感网络。
钻石是承载量子信息的明星材料
人们常说，只见树木不见森林。但仔细观察树木往往能发现茂密而荆棘丛生的整体。斯坦福大学的一个研究小组正是这样做，他们试图解决钻石中棘手的量子信息问题。
钻石是承载量子信息的明星材料，但它也带来了挑战：钻石中嵌入的量子信息信号往往杂乱无章、前后矛盾。科学家已经对这种矛盾现象给出了解释，但他们需要一种方法来检查钻石的组成部分，以找出罪魁祸首。
由詹妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）领导的斯坦福研究小组，使用高倍数的显微镜来放大钻石的原子级结构。在发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中，该研究小组证明，钻石内部的复杂结构在很大程度上解释了嵌入其中的量子位产生的不稳定信号。
该透射电子显微镜图像的彩色区域突出显示了纳米金刚石中的晶界。图片来源：Dionne Group/斯坦福大学
“之前没有很好的方法将量子比特的结构与发射信号关联起来，但研究人员会观察到发射中存在相当大的异质性，”Q-NEXT副主任、斯坦福大学材料科学教授兼放射学教授Dionne说。“现在，我们解决了这个问题，是通过将原子尺度结构与量子特性联系起来。”
硅空位
该团队研究了一种称为硅空位中心的量子比特。从钻石中移除两个碳原子，并用一个硅原子代替。由于一个原子取代了两个原子，因此硅原子两侧均有一个间隙——一个半填充的空穴。
硅空位中心对于量子传感器来说很有前景，量子传感器可以实现比当今最佳工具高出许多倍的精度，对于量子通信网络来说也是如此，量子通信网络由于其量子性质，几乎可以防窃听。
Dionne团队测试了钻石纳米颗粒中的硅空位中心，这些钻石是直径只有几百纳米的微小钻石碎片。通常，多个空位像海绵中的孔一样散布在整个样本中。
来自空位中心的信号以光子(光粒子)的形式出现。在理想世界中，钻石中的空位充当着一个值得信赖的光子工厂，每次从装配线上下来时，它都会可靠地产生相同类型的光子——相同的颜色，相同的亮度。
“我们想要难以区分的光子，”该论文的第一作者丹尼尔·安吉尔(DanielAngell)说，他在斯坦福大学读研究生时进行了这项研究。
但科学家们看到从钻石源射出的光子颜色和亮度各不相同。这促使Dionne团队进行了更深入的研究。
钻石的多个切面
与大多数晶体一样，钻石由彼此相邻的区域组成，就像不规则形状的乐高积木。这些区域(或域)通过其原子“颗粒”进行区分，就像木纹一样。原子在对角线上排列的区域可能与另一个前后方向的区域相邻。
研究团队使用扫描透射电子显微镜逐个检查这些区域，测量每个区域的光子发射情况——这是一项极其精确的任务，使用功能较弱的工具几乎不可能完成。他们开始注意到一种模式。
这张图片展示了斯坦福大学Dionne团队研究的纳米金刚石的3D透视图。图片来源：Dionne团队/斯坦福大学
“我们持续观察这些钻石，最终开始看到这些非常酷、非常独特的光子发射区域——不同区域的光子分布各不相同，”安吉尔（Angell）说。
结论非常明确：域名起着重要作用。
每个域的纹理都会塑造其内部的空缺，拉伸或挤压它。虽然一个域中的空缺可能会以一种方式被挤压，但相邻的空缺可能会以不同的方式受到挤压。
研究小组发现，空位的应变方式会影响发射光子的性质，就像其在晶粒结构中的位置一样。
科学家们一直在测量来自钻石的模糊或不一致的信号，因为他们将样品视为单一来源，即单一光子发射器。但钻石样品由多个紧密堆积的区域组成，每个区域都有自己的光子发射器。研究人员一直在测量来自森林而不是树木的信号。
“晶体中空位的位置很重要，”Dionne说。“钻石的不同晶面和晶体的特定方向会对发射的亮度和颜色产生重大影响。”
即使相距不远的空位也会产生明显不同的光子发射。
“当两个空位相距仅5纳米时，我们看到发射信号出现了完全离散的跳跃，”Angell说道。“在纳米尺度上看到这种几乎完美的发射分离线——发射的明显变化——是我以前从未见过的。这确实是令人信服的数据。”
水晶般清晰
Angell将不同类型的晶粒应变与其各自的光子分布关联起来，为研究人员提供了高分辨率的应变和发射图，以便更好地理解他们自己的发现。
虽然谷物种类并不是造成光子信号模糊的唯一因素，但迪翁研究小组表明它起着重要作用。
“我们指出，准确了解正在研究的晶体粒子的底层晶粒结构非常重要。如果你正在收集整个粒子的发射，并且发现发射很模糊，那么很可能是因为其中存在某种晶粒边界。你正在收集具有不同特征的不同空位，但你却不知道，”Angell说。
他们的工作影响范围也更广，可应用于空位中心量子比特家族的其他成员。
Dionne说：“这为大量研究打开了大门，使量子系统中的结构-功能关联变得精确，并最终改善量子通信、量子网络和量子传感。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心的支持，是 Q-NEXT 中心的一部分。
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