量子通信：使用微波有效控制金刚石量子比特

具有共面波导的金刚石膜中的应变 SnV 中心。学分：物理评论 X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.031036

卡尔斯鲁厄理工学院 （KIT） 的研究人员展示了如何使用微波精确控制钻石中的锡空位，这在德国尚属首次。这些空位具有特殊的光学和磁性，可以用作量子比特，即量子计算和量子通信的最小计算单元。这些结果是开发高性能量子计算机和安全量子通信网络的重要一步。

研究人员在《物理评论 X》杂志上发表了他们的发现。

量子计算机和量子通信是数据处理和传输的开创性技术，比传统计算机更快、更安全。量子比特是量子计算机中的基本信息单位;它们是普通数据处理中比特的量子力学对应物。

例如，在经典数字通信中，玻璃纤维中的激光脉冲将信息从 A 传输到 B，而量子力学使用单个光子。原则上，这使得无法拦截传输的数据。

可光学寻址的量子比特（可以用光控制或读出）适合存储光子的信息并在量子计算机中进行处理。量子比特可以存储和处理量子态，并以光子的形式吸收和发射量子态。

量子比特开发中的一个主要挑战是延长相干时间，即量子比特可以稳定地存储信息的时间。能够控制量子比特并保持足够稳定以在实际应用中利用其特性，对于开发高效和可扩展的量子计算机的可行性至关重要。

在 KIT 的 Physikalisches Institut，博士研究员 Ioannis Karapatzakis 和 Jeremias Resch 研究了如何精确控制钻石中一种称为锡空位 （SnV） 中心的特殊缺陷。他们的工作是两个项目的一部分：QuantumRepeater.Link （QR.X） 进行基于安全光纤的量子通信，以及 SPINNING，旨在开发基于钻石自旋光子的量子计算机。

“当原子缺失或被锡等其他原子取代时，就会出现钻石碳原子晶格结构的缺陷，”Karapatzakis 说。

这种缺陷可以用作量子通信的量子比特，因为它们具有特殊的光学和磁性，可以使用光或微波来操纵电子自旋等状态。然后，这些缺陷可以用作稳定的量子比特，可以存储和处理信息并将其与光子耦合。

金刚石量子比特具有存在于固相中的优势，这使得它们比其他量子材料（例如真空中的原子）更容易使用。Karapatzakis 和 Resch 能够使用微波精确且可观察地控制锡空位中心量子比特的电子自旋。

“我们能够将金刚石 SnV 中心的相干时间增加到 10 毫秒，这是一项重大改进，”Resch 说。他们通过动态解耦来实现这一点，这在很大程度上抑制了干扰。

研究人员研究结果的另一个特殊之处在于，他们首次成功证明，这种金刚石缺陷可以用超导波导非常有效地控制，超导波导可以有效地将微波辐射引导到缺陷上，而不会产生热量。

“这非常重要，因为这些缺陷通常是在接近绝对零度的极低温度下进行研究的。更高的温度会使量子比特变得毫无用处，“Karapatzakis 说。

“为了在两个用户之间或（以后）在两台量子计算机之间建立通信，我们需要将量子比特量子态转移到光子，”Resch 指出。

“通过量子比特的光学读出和达到稳定的光谱特性，我们朝着这个方向迈出了重要的一步。因此，我们在控制钻石中锡空位中心的研究结果为未来安全高效的量子通信发展提供了重要突破的潜力。

期刊信息： Physical Review X