【原】日本研究人员成功在钻石内部传送量子信息，金刚石量子技术的应用值得期待！

DT_Carbontech 2021-01-20

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近期横滨国立大学的研究人员已经在钻石的范围内成功地传送了量子信息。这项研究对量子信息技术有着重大意义——未来如何共享和存储敏感信息。研究人员于2019年6月28日在《Communications Physics》期刊上发表了他们的研究结果。

量子态转移示意图

该项研究的作者，横滨国立大学的工程学Hideo Kosaka教授解释道：“量子隐形传送允许将量子信息传送到另一个无法进入的空间，它还允许将信息传输到量子存储器中，而不暴露或破坏存储的量子信息。”在这种情况下，无法进入的空间是由钻石中的碳原子组成的。钻石是由碳原子连接而成，但又是由碳原子单独组成，这是量子隐形传送的完美场合。

通常一个碳原子的原子核中有六个质子和六个中子，周围环绕着六个旋转的电子，当原子结合成钻石时它们形成了一个强晶格。然而，当一个氮原子存在于两个碳原子应该存在的相邻空位中的一个时，钻石可能会有复杂的缺陷，这种缺陷称为氮空位中心（NV色心）。

在碳原子的包围下，氮原子的原子核结构产生了一种被Kosaka教授称为纳米磁铁的物质。为了操纵空位中的电子和碳同位素，Kosaka和研究小组在钻石表面安装了一根大约四分之一人类头发宽度的金属丝。他们在金属丝上施加微波和无线电波，在钻石周围形成振荡磁场。他们对微波进行了整形，为钻石内部的量子信息传输创造了最佳的、可控的条件。

然后，Kosaka使用氮纳米磁铁来锚定电子。利用微波和无线电波，Kosaka迫使电子自旋与碳核自旋（电子和碳原子核的角动量）纠缠在一起。电子的自旋在纳米磁铁产生的磁场下分解，使其容易受到纠缠。一旦这两个部分被缠结，这意味着它们的物理特性是如此交织，它们就无法单独描述，于是就应用了一个保存量子信息的光子，而电子吸收了光子。吸收使光子的偏振态转移到碳中，碳是由纠缠电子介导的，证明了信息在量子层的隐形传输。

Kosaka解释说：“另一个节点的光子存储的成功建立了两个相邻节点之间的纠缠，这个过程称为量子中继器，可以跨量子场从一个节点到另一个节点获取单个信息块。我们的最终目标是实现可扩展的量子中继器，用于长途量子通信，以及用于大规模量子计算和计量的分布式量子计算机。”

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

注解

量子隐形传态(Quantum teleportation)，又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息(physical information)的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术，是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的"超时空传输"，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

延伸阅读

基于金刚石的量子物理前沿技术具有重要应用

在20世纪，许多改变世界的科技都是基于量子力学的，包括半导体，激光和其他现在普遍存在的设备。在整个第一次量子革命中，量子物理学的一个关键特性——叠加态在很大程度上仍然存在于实验室中。

然而，由于一些旨在实现第二次量子革命的重要举措，使得这种情况即将发生变化。这场革命成功的关键是掌握能够“轻松”设计和控制量子比特的能力。科学家正在尝试许多不同的方法，使用各种材料进行相关方面的竞争，如超导体，合成金刚石，冷原子和量子点等等。无论是对量子计算还是其他应用，如磁场感应，金刚石确实具有一些吸引人的优势，主要源自金刚石中的缺陷。

该缺陷由单个氮原子和缺失的碳原子或者空位相结合而组成，位于规则的碳原子晶格中。除了其他性质，氮空位（NV）中心具有独特的光学吸收和发射性质，它使金刚石具有红色到粉红色的颜色——这些特性长期以来一直是晶体结构基础研究的焦点。

除了其不寻常的光学特性外，负电荷状态下的NV中心在其基态下也具有电子自旋S = 1。值得注意的是，处于这个态的电子自旋可以在室温下被控制和读出。原因在于，与大多数材料不同，金刚石中的晶格形成低噪声环境，因此不会丢失脆弱的量子特性，并且可以更长时间的存储和探测信息。当系统被微波辐射激发时，可以通过测量由NV中心发出的光的强度来读出自旋状态。在NV中心2.88 GHz的共振频率下，自旋状态将从0翻转到+1或-1，导致发出的红光强度出现一个下陷。

这种自旋状态的稳健性和易读性使得NV金刚石成为各种量子技术的一个非常有应用前景的平台，潜在的应用有（量子）安全通信，（量子）计算，（量子）成像和（量子）传感等。近期金刚石界的重点研究领域之一是使用NV缺陷来测量磁场。

（基于NV金刚石的）精密工程技术

基于NV金刚石的传感器不需要重新校准，具有宽带宽，可以集成到轻便、低功耗的设备中。重要的是，由于高空间分辨率的微观探针，NV中心可以用来构建材料表面上的磁场图。由于这些原因，基于金刚石的磁力计既可作为现有技术的替代品，也可以促进全新技术的应用。

要使这些应用成为现实，我们需要现成的高品质NV金刚石。NV中心在天然金刚石中很少见，如果仅限于使用单个样品，很难进行大量研究。我们可以使用CVD法合成生长NV的金刚石。（该过程包括用氢气，甲烷和氮气的混合物填充微波室，并将其加热至2500-3000K以产生等离子体。来自等离子体的碳原子逐层沉积在腔室中的金刚石“种子”表面上，这个“种子”最终会成为新金刚石的核。氢会使表面稳定，促进沉积的碳原子形成金刚石而不是石墨，而氮充当掺杂剂，使得形成NV中心成为可能。）

上面的这一过程使我们能够以可控和可扩展的方式生长金刚石，其纯度远远超过天然金刚石。它还可以控制NV中心的数量。在高纯度条件下，通过生长过程中的化学作用产生少量的NV中心。因为这些孤立的空位可以在实验中单独探测，因此这种类型的NV金刚石非常适合用于进行量子计算。磁感应应用需要更多的NV中心，这一目标可以通过增加合成过程中的氮浓度，然后用高能电子轰击晶体来创造额外的空位来实现。将金刚石加热到800°C会使这些空位通过晶格迁移，直到它们遇到氮原子才会停止迁移; 此时，NV中心具有比单独的氮和空位更低的势能，因此这种结构会变得十分稳定。

潜在的应用

金刚石量子技术非常有前景，许多应用已经处于概念性验证阶段。这些包括材料表征中的应用，例如用于下一代磁性硬盘驱动器的写头的纳米级成像，以及生物成像。新的压力和温度传感方法，以及基于金刚石的量子计算的可能性，使这一研究领域变得激动人心而且成果累累。我们相信金刚石将依旧是我们理解量子世界的有用工具，真正令人兴奋的是基于这种理解能够实现的技术。