可作为量子网络节点！日本科学家实现稳定的「金刚石锡空位中心」

光子盒研究院出品

金刚石中的锡空位（Sn-V）中心有可能作为量子网络中的量子节点来传输信息。然而，它们在显示产生量子纠缠的光学特性时带来了局限性。

近日，东京工业大学的研究人员现在已经克服了这一挑战，产生了稳定的Sn-V中心，可以产生几乎相同频率和线宽的光子，为Sn-V中心作为量子-光物质界面的发展铺平了道路。

量子纠缠是指量子力学中的一种现象，其中两个或多个粒子相互联系，使得每个粒子的状态不能独立于其他粒子进行描述，即使它们相隔很远。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）将这一原理称为“远距离的幽灵动作”，现在在量子网络中用于传输信息。这些网络的构建块（量子节点）可以生成和测量量子态。

在可以作为量子节点的候选者中，金刚石中的Sn-V中心（锡Sn原子取代碳原子的缺陷，导致两个碳空位之间的间隙Sn原子）已被证明具有适合量子网络应用的特性。预计Sn-V中心在开尔文温度下将在毫秒范围内表现出较长的自旋相干时间，使其能够在相对较长的时间内保持其量子态。然而，这些中心尚未产生具有相似特征的光子，这是在量子网络节点之间创建远程纠缠量子态的必要标准。

现在，在发表在《物理评论应用》上的一项研究中，由日本东京工业大学（Tokyo Tech）的Takayuki Iwasaki副教授领导的研究人员观察到具有相同光子频率和线宽的Sn-V中心，标志着使用这些中心作为量子节点的新阶段。“在固态材料中，线宽和波长的控制具有挑战性。对于由重原子组成的Sn-V中心尤其如此，因为它们在金刚石中的结合会导致发射器周围的更多缺陷和更高的应变，“Iwasaki博士说。

研究人员使用离子注入和高压高温（HPHT）退火的组合在金刚石中形成Sn-V中心。离子注入用于将Sn离子注入金刚石基材。然后将这些样品在皮带式装置中暴露在100°C的高温和7.7GPa的高压下。通过这个两步过程，研究人员消除了表面缺陷和应变对Sn-V中心光学特性的影响，并解决了在生成Sn-V中心时通常面临的缺陷问题。

“高温处理有效地解决了晶格损坏问题。因此，发射器周围的应变在很大程度上得到了抑制。此外，Sn-V中心是在距样品表面约3微米的深度形成的。这抑制了表面应变和带电缺陷的影响，可能会改变发射器的能量水平，“Iwasaki博士表示。

在随后用窄线宽可调谐激光器扫描样品的不同区域并分析发射光时，该团队观察到多个具有几乎相同光子频率和线宽的Sn-V中心，标志着成功形成适合用作量子节点的稳定Sn-V中心。

Iwasaki博士对他们工作的未来影响持乐观态度：“高质量Sn-V中心的形成直接导致对远距离发射器之间双光子干涉的观察，以及未来在金刚石中建立Sn-V中心作为量子-光物质界面。”

参考链接：

Breakthrough in Tin-Vacancy Centers for Quantum Network Applications | Tokyo Tech News | Tokyo Institute of Technology (titech.ac.jp)

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