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

DT_Carbontech 2021-01-20

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

量子態(tài)轉移示意圖

該項研究的作者，橫濱國立大學的工程學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無法進入的空間，它還允許將信息傳輸到量子存儲器中，而不暴露或破壞存儲的量子信息。”在這種情況下，無法進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組成，這是量子隱形傳送的完美場合。

通常一個碳原子的原子核中有六個質子和六個中子，周圍環(huán)繞著六個旋轉的電子，當原子結合成鉆石時它們形成了一個強晶格。然而，當一個氮原子存在于兩個碳原子應該存在的相鄰空位中的一個時，鉆石可能會有復雜的缺陷，這種缺陷稱為氮空位中心（NV色心）。

在碳原子的包圍下，氮原子的原子核結構產生了一種被Kosaka教授稱為納米磁鐵的物質。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。他們在金屬絲上施加微波和無線電波，在鉆石周圍形成振蕩磁場。他們對微波進行了整形，為鉆石內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量）糾纏在一起。電子的自旋在納米磁鐵產生的磁場下分解，使其容易受到糾纏。一旦這兩個部分被纏結，這意味著它們的物理特性是如此交織，它們就無法單獨描述，于是就應用了一個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)轉移到碳中，碳是由糾纏電子介導的，證明了信息在量子層的隱形傳輸。

Kosaka解釋說：“另一個節(jié)點的光子存儲的成功建立了兩個相鄰節(jié)點之間的糾纏，這個過程稱為量子中繼器，可以跨量子場從一個節(jié)點到另一個節(jié)點獲取單個信息塊。我們的最終目標是實現可擴展的量子中繼器，用于長途量子通信，以及用于大規(guī)模量子計算和計量的分布式量子計算機?！?/section>

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、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息(physical information)的轉換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術，是一種全新的通信方式。它傳輸的不再是經典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態(tài)如同經歷了科幻小說中描寫的"超時空傳輸"，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

延伸閱讀

基于金剛石的量子物理前沿技術具有重要應用

在20世紀，許多改變世界的科技都是基于量子力學的，包括半導體，激光和其他現在普遍存在的設備。在整個第一次量子革命中，量子物理學的一個關鍵特性——疊加態(tài)在很大程度上仍然存在于實驗室中。

然而，由于一些旨在實現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。這場革命成功的關鍵是掌握能夠“輕松”設計和控制量子比特的能力?？茖W家正在嘗試許多不同的方法，使用各種材料進行相關方面的競爭，如超導體，合成金剛石，冷原子和量子點等等。無論是對量子計算還是其他應用，如磁場感應，金剛石確實具有一些吸引人的優(yōu)勢，主要源自金剛石中的缺陷。

該缺陷由單個氮原子和缺失的碳原子或者空位相結合而組成，位于規(guī)則的碳原子晶格中。除了其他性質，氮空位（NV）中心具有獨特的光學吸收和發(fā)射性質，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構基礎研究的焦點。

除了其不尋常的光學特性外，負電荷狀態(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，與大多數材料不同，金剛石中的晶格形成低噪聲環(huán)境，因此不會丟失脆弱的量子特性，并且可以更長時間的存儲和探測信息。當系統被微波輻射激發(fā)時，可以通過測量由NV中心發(fā)出的光的強度來讀出自旋狀態(tài)。在NV中心2.88 GHz的共振頻率下，自旋狀態(tài)將從0翻轉到+1或-1，導致發(fā)出的紅光強度出現一個下陷。

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的一個非常有應用前景的平臺，潛在的應用有（量子）安全通信，（量子）計算，（量子）成像和（量子）傳感等。近期金剛石界的重點研究領域之一是使用NV缺陷來測量磁場。

（基于NV金剛石的）精密工程技術

基于NV金剛石的傳感器不需要重新校準，具有寬帶寬，可以集成到輕便、低功耗的設備中。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既可作為現有技術的替代品，也可以促進全新技術的應用。

要使這些應用成為現實，我們需要現成的高品質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樣品，很難進行大量研究。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，甲烷和氮氣的混合物填充微波室，并將其加熱至2500-3000K以產生等離子體。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“種子”最終會成為新金剛石的核。氫會使表面穩(wěn)定，促進沉積的碳原子形成金剛石而不是石墨，而氮充當摻雜劑，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展的方式生長金剛石，其純度遠遠超過天然金剛石。它還可以控制NV中心的數量。在高純度條件下，通過生長過程中的化學作用產生少量的NV中心。因為這些孤立的空位可以在實驗中單獨探測，因此這種類型的NV金剛石非常適合用于進行量子計算。磁感應應用需要更多的NV中心，這一目標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)造額外的空位來實現。將金剛石加熱到800°C會使這些空位通過晶格遷移，直到它們遇到氮原子才會停止遷移; 此時，NV中心具有比單獨的氮和空位更低的勢能，因此這種結構會變得十分穩(wěn)定。

潛在的應用

金剛石量子技術非常有前景，許多應用已經處于概念性驗證階段。這些包括材料表征中的應用，例如用于下一代磁性硬盤驅動器的寫頭的納米級成像，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算的可能性，使這一研究領域變得激動人心而且成果累累。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實現的技術。