迈向量子互联网！「金刚石NV色心」发射出高质量单光子

光子盒研究院出品

金刚石（钻石）材料对未来的技术，如量子互联网具有重要意义：特殊的缺陷中心可以作为量子比特使用，并发射出被称为单光子的单光粒子。

然而，为了在量子网络中以可行的通信速率进行数据传输，所有的光子必须被收集在光纤中，并在传输过程中不被丢失；同时，还必须确保这些光子都具有相同的颜色（即相同的频率）。

到目前为止，满足这些要求是不可能的。

为克服这一限制，柏林洪堡大学Tim Schröder教授领导的 集成量子光子学小组成员在全世界范围内首次成功地生成、检测了从“量子光源”（更准确地说，从金刚石纳米结构的氮空位缺陷中心）发射出的、具有稳定光子频率的光子。

相关实验成果以《钻石纳米结构中的光相干氮空位缺陷中心(Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures)》为题，发表在《物理评论X》杂志上。
通过精心选择金刚石材料，实验团队在莱布尼茨高频技术研究所(FBH)费迪南德·布劳恩联合实验室进行了复杂的纳米制造实验。通过结合这些方法，以前干扰数据传输的电子噪音可以大大减少，而光子则以稳定的（通信）频率发射。

纳入纳米柱中的NV示意图。
此外，柏林的研究人员还表明，在所开发的方法下，目前空间上分离的量子系统间的通信速率可望增加1000倍以上——这是向未来的量子互联网迈出的重要一步。

纠缠生成实验结果
如今，科学家们已经将单个量子比特集成到优化的金刚石纳米结构中。这些结构比人的头发还要细1000倍，使其有可能以定向方式将发射的光子转移到玻璃纤维中。
然而，在制造纳米结构的过程中，材料表面在原子水平上被损坏，自由电子为产生的光粒子创造了不可控制的噪音。噪声与不稳定的无线电频率相当，导致光子频率的波动，会阻止一些量子操作（如纠缠）。
所用金刚石材料的一个特点是，其晶格中的氮杂质原子密度相对较高，这些可能会屏蔽了量子光源在纳米结构表面的电子噪声。

金刚石纳米结构中的缺陷中心可以作为量子比特使用。通过量子操作（纠缠），量子信息可以存储在发射的单光子中，并在未来的量子互联网中通过光纤传输。
此次实验中，团队展示了一个基于纳米结构耦合NV的装置，其光学特性适用于量子相干控制协议。不过，更确切的物理过程需要在未来进行更详细的研究。
参考链接：[1]Phys. Rev. X 13, 011042 (2023) - Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures (aps.org)[2]https://phys.org/news/2023-04-important-quantum-internet-diamond-nanostructures.html

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