【原】日本研究人員成功在鉆石內(nèi)部傳送量子信息，金剛石量子技術(shù)的應(yīng)用值得期待！

DT_Carbontech 2021-01-20

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近期橫濱國立大學(xué)的研究人員已經(jīng)在鉆石的范圍內(nèi)成功地傳送了量子信息。這項(xiàng)研究對(duì)量子信息技術(shù)有著重大意義——未來如何共享和存儲(chǔ)敏感信息。研究人員于2019年6月28日在《Communications Physics》期刊上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

量子態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

該項(xiàng)研究的作者，橫濱國立大學(xué)的工程學(xué)Hideo Kosaka教授解釋道：“量子隱形傳送允許將量子信息傳送到另一個(gè)無法進(jìn)入的空間，它還允許將信息傳輸?shù)搅孔哟鎯?chǔ)器中，而不暴露或破壞存儲(chǔ)的量子信息。”在這種情況下，無法進(jìn)入的空間是由鉆石中的碳原子組成的。鉆石是由碳原子連接而成，但又是由碳原子單獨(dú)組成，這是量子隱形傳送的完美場合。

通常一個(gè)碳原子的原子核中有六個(gè)質(zhì)子和六個(gè)中子，周圍環(huán)繞著六個(gè)旋轉(zhuǎn)的電子，當(dāng)原子結(jié)合成鉆石時(shí)它們形成了一個(gè)強(qiáng)晶格。然而，當(dāng)一個(gè)氮原子存在于兩個(gè)碳原子應(yīng)該存在的相鄰空位中的一個(gè)時(shí)，鉆石可能會(huì)有復(fù)雜的缺陷，這種缺陷稱為氮空位中心（NV色心）。

在碳原子的包圍下，氮原子的原子核結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一種被Kosaka教授稱為納米磁鐵的物質(zhì)。為了操縱空位中的電子和碳同位素，Kosaka和研究小組在鉆石表面安裝了一根大約四分之一人類頭發(fā)寬度的金屬絲。他們?cè)诮饘俳z上施加微波和無線電波，在鉆石周圍形成振蕩磁場。他們對(duì)微波進(jìn)行了整形，為鉆石內(nèi)部的量子信息傳輸創(chuàng)造了最佳的、可控的條件。

然后，Kosaka使用氮納米磁鐵來錨定電子。利用微波和無線電波，Kosaka迫使電子自旋與碳核自旋（電子和碳原子核的角動(dòng)量）糾纏在一起。電子的自旋在納米磁鐵產(chǎn)生的磁場下分解，使其容易受到糾纏。一旦這兩個(gè)部分被纏結(jié)，這意味著它們的物理特性是如此交織，它們就無法單獨(dú)描述，于是就應(yīng)用了一個(gè)保存量子信息的光子，而電子吸收了光子。吸收使光子的偏振態(tài)轉(zhuǎn)移到碳中，碳是由糾纏電子介導(dǎo)的，證明了信息在量子層的隱形傳輸。

Kosaka解釋說：“另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的光子存儲(chǔ)的成功建立了兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的糾纏，這個(gè)過程稱為量子中繼器，可以跨量子場從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取單個(gè)信息塊。我們的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子中繼器，用于長途量子通信，以及用于大規(guī)模量子計(jì)算和計(jì)量的分布式量子計(jì)算機(jī)。”

原文題目《Quantum teleportation-based state transfer of photon polarization into a carbon spin in diamond》

注解

量子隱形傳態(tài)(Quantum teleportation)，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠(yuǎn)距傳輸或量子遠(yuǎn)傳，是一種利用分散量子纏結(jié)與一些物理訊息(physical information)的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術(shù)，是一種全新的通信方式。它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同經(jīng)歷了科幻小說中描寫的"超時(shí)空傳輸"，在一個(gè)地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)。

延伸閱讀

基于金剛石的量子物理前沿技術(shù)具有重要應(yīng)用

在20世紀(jì)，許多改變世界的科技都是基于量子力學(xué)的，包括半導(dǎo)體，激光和其他現(xiàn)在普遍存在的設(shè)備。在整個(gè)第一次量子革命中，量子物理學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵特性——疊加態(tài)在很大程度上仍然存在于實(shí)驗(yàn)室中。

然而，由于一些旨在實(shí)現(xiàn)第二次量子革命的重要舉措，使得這種情況即將發(fā)生變化。這場革命成功的關(guān)鍵是掌握能夠“輕松”設(shè)計(jì)和控制量子比特的能力。科學(xué)家正在嘗試許多不同的方法，使用各種材料進(jìn)行相關(guān)方面的競爭，如超導(dǎo)體，合成金剛石，冷原子和量子點(diǎn)等等。無論是對(duì)量子計(jì)算還是其他應(yīng)用，如磁場感應(yīng)，金剛石確實(shí)具有一些吸引人的優(yōu)勢(shì)，主要源自金剛石中的缺陷。

該缺陷由單個(gè)氮原子和缺失的碳原子或者空位相結(jié)合而組成，位于規(guī)則的碳原子晶格中。除了其他性質(zhì)，氮空位（NV）中心具有獨(dú)特的光學(xué)吸收和發(fā)射性質(zhì)，它使金剛石具有紅色到粉紅色的顏色——這些特性長期以來一直是晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的焦點(diǎn)。

除了其不尋常的光學(xué)特性外，負(fù)電荷狀態(tài)下的NV中心在其基態(tài)下也具有電子自旋S = 1。值得注意的是，處于這個(gè)態(tài)的電子自旋可以在室溫下被控制和讀出。原因在于，與大多數(shù)材料不同，金剛石中的晶格形成低噪聲環(huán)境，因此不會(huì)丟失脆弱的量子特性，并且可以更長時(shí)間的存儲(chǔ)和探測(cè)信息。當(dāng)系統(tǒng)被微波輻射激發(fā)時(shí)，可以通過測(cè)量由NV中心發(fā)出的光的強(qiáng)度來讀出自旋狀態(tài)。在NV中心2.88 GHz的共振頻率下，自旋狀態(tài)將從0翻轉(zhuǎn)到+1或-1，導(dǎo)致發(fā)出的紅光強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)下陷。

這種自旋狀態(tài)的穩(wěn)健性和易讀性使得NV金剛石成為各種量子技術(shù)的一個(gè)非常有應(yīng)用前景的平臺(tái)，潛在的應(yīng)用有（量子）安全通信，（量子）計(jì)算，（量子）成像和（量子）傳感等。近期金剛石界的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一是使用NV缺陷來測(cè)量磁場。

（基于NV金剛石的）精密工程技術(shù)

基于NV金剛石的傳感器不需要重新校準(zhǔn)，具有寬帶寬，可以集成到輕便、低功耗的設(shè)備中。重要的是，由于高空間分辨率的微觀探針，NV中心可以用來構(gòu)建材料表面上的磁場圖。由于這些原因，基于金剛石的磁力計(jì)既可作為現(xiàn)有技術(shù)的替代品，也可以促進(jìn)全新技術(shù)的應(yīng)用。

要使這些應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，我們需要現(xiàn)成的高品質(zhì)NV金剛石。NV中心在天然金剛石中很少見，如果僅限于使用單個(gè)樣品，很難進(jìn)行大量研究。我們可以使用CVD法合成生長NV的金剛石。（該過程包括用氫氣，甲烷和氮?dú)獾幕旌衔锾畛湮⒉ㄊ?，并將其加熱?500-3000K以產(chǎn)生等離子體。來自等離子體的碳原子逐層沉積在腔室中的金剛石“種子”表面上，這個(gè)“種子”最終會(huì)成為新金剛石的核。氫會(huì)使表面穩(wěn)定，促進(jìn)沉積的碳原子形成金剛石而不是石墨，而氮充當(dāng)摻雜劑，使得形成NV中心成為可能。）

上面的這一過程使我們能夠以可控和可擴(kuò)展的方式生長金剛石，其純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然金剛石。它還可以控制NV中心的數(shù)量。在高純度條件下，通過生長過程中的化學(xué)作用產(chǎn)生少量的NV中心。因?yàn)檫@些孤立的空位可以在實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)探測(cè)，因此這種類型的NV金剛石非常適合用于進(jìn)行量子計(jì)算。磁感應(yīng)應(yīng)用需要更多的NV中心，這一目標(biāo)可以通過增加合成過程中的氮濃度，然后用高能電子轟擊晶體來創(chuàng)造額外的空位來實(shí)現(xiàn)。將金剛石加熱到800°C會(huì)使這些空位通過晶格遷移，直到它們遇到氮原子才會(huì)停止遷移; 此時(shí)，NV中心具有比單獨(dú)的氮和空位更低的勢(shì)能，因此這種結(jié)構(gòu)會(huì)變得十分穩(wěn)定。

潛在的應(yīng)用

金剛石量子技術(shù)非常有前景，許多應(yīng)用已經(jīng)處于概念性驗(yàn)證階段。這些包括材料表征中的應(yīng)用，例如用于下一代磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器的寫頭的納米級(jí)成像，以及生物成像。新的壓力和溫度傳感方法，以及基于金剛石的量子計(jì)算的可能性，使這一研究領(lǐng)域變得激動(dòng)人心而且成果累累。我們相信金剛石將依舊是我們理解量子世界的有用工具，真正令人興奮的是基于這種理解能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)。