通过在钻石中植入晶格缺陷，科学家攻克量子通信技术难关

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含有（晶格）缺陷的钻石，这些缺陷能够用于存储和传输量子信息

近日，美国普林斯顿大学（Princeton University）的研究人员正在利用钻石建立一个基于亚原子粒子的量子态特性的通信网络。据《科学》（Science）杂志7月6日刊发的一篇研究论文称，这些科学家们已经找到了一种利用合成钻石的潜在解决方案，他们在文中描述了如何用植入缺陷后的钻石来存储和传输量子比特信息（qubit，又称量子位元）。

在标准的通信网络中，被称为中继器的设备会短暂地存储和重新传输信号，从而实现远距离传输。据该项目的首席研究员、普林斯顿大学电子工程助理教授纳塔莉·德莱昂（Nathalie de Leon）介绍，这类钻石可作为基于量子比特搭建的通信网络中的量子中继器。制造量子中继器的关键挑战是找到一种既能存储又能传输量子比特的物质材料。研究人员已经开始把目光转向作为储存介质的固体，比如晶体，因为在如钻石这样的晶体中，量子比特在理论上可以从光子转化到电子上，这样更容易储存。而能够进行这种转化的关键位置是钻石内部的晶格缺陷，在这些缺陷中，除了碳以外的其他元素被困在钻石的碳晶格中。就像几个世纪以来，珠宝商知道钻石中的杂质会产生不同的颜色一样，对德莱昂的团队来说，这些被称为杂质的“颜色中心”（color center）预示着对光进行操纵调节，从而制造出量子中继器的机会。

该研究团队首先在钻石中植入了被称为“氮-空位”的缺陷——用一个氮原子取代钻石中的一个碳原子，随后他们发现，虽然这种缺陷能储存信息，但并不具有正确的光学特性。他们随即又开始尝试实验“硅-空位”，最初的结果反映它能将信息传递给光子，但是缺乏长时间的相干性。于是他们决定针对该缺陷的电荷进行实验。理论上，“硅-空穴”应该是中性的，即带零电荷的，然而事实却证明，其附近的其它杂质也会赋予缺陷电荷。研究小组推测认为，电荷的状态和让电子在正确方向上保持自旋状态、从而存储量子比特的能力之间可能存在着某种联系。通过与一家钻石制造商合作，他们构建出了中性的“硅-空位”。德莱昂介绍道：“我们必须在增加电荷或减少电荷之间进行微妙的电荷抵消与平衡。我们通过控制来自钻石中背景缺陷中的电荷分布，从而控制我们所关心的那些缺陷的电荷状态。”接下来，研究人员将硅离子植入到钻石中，然后将钻石加热至高温，以去除其它可能产生电荷的杂质。通过对材料工程手法的多次迭代，再加上与美国宝石学会（Gemological Institute of America）的科学家进行的合作分析，该团队最终制造出了钻石中的中性“硅-空位”。

中性“硅-空位”既擅长用光子传输量子信息，又擅长用电子存储量子信息，而这两者都是生成被称为“量子纠缠”——一种量子基本特性，即一对粒子在分离的状态下也能保持相互关联——的关键要素。量子纠缠是实现量子信息高度安全性的前提与关键：接收的双方可以测量比较他们所收到的、成对的纠缠信息，看看窃听者是否对其中一条消息进行了破坏。该研究的下一步是在中性“硅-空位”和光子电路之间建立一个接口，以便来自网络的光子能够进出颜色中心。