新型“量子钻石”可能使量子互联网成为可能

据国外媒体报道，“钻石永存”是一个众所周知的口号，但除此之外，钻石还有许多奇怪的特征。现在，一颗含有杂质的钻石可能在未来的量子技术——甚至是量子互联网——中发挥巨大作用。

这听起来像是胡说八道。让我们从头开始。钻石是由碳元素组成的晶体。每个碳原子与四个相邻的碳原子形成共价键，并且紧密相连。科学家们通过用氮原子取代钻石中的一些碳原子，发现了一些有趣的用途，例如制造时间晶体。在一项新的实验中，科学家用硅原子取代了一些碳原子，生产出硅空位的钻石，这种钻石将来可能会用于量子系统。

“通过仔细的材料工程方法，我们可以揭示SiV0钻石的高度相干光和自旋特征，”研究作者、普林斯顿大学助理教授娜塔莉·德莱昂写道。他们的研究结果发表在最近的《科学》杂志上。基本上，这些钻石具有使它们能够用于量子计算机互连的特性。

当我们提到“量子”时，它基本上意味着“遵守量子力学的奇怪规则”。首先，请考虑自旋的属性。电子可以上下旋转，就像棋子可以是红色或黑色一样。如果你遮住眼睛，递给你另一个棋子，那么你就不知道它是什么颜色。然而，从理论上讲，如果你知道放置棋子的袋子的所有细节，以及其他人是如何进入袋子的，你也许能猜出棋子是什么颜色。

然而，电子的自旋是不一样的，它有自己的运行方式。如果它是量子，你可以从字面上理解一个系统的所有信息，但是你仍然不知道电子是向上还是向下旋转。这是相干态，通常被转化为同时上下旋转的电子。这种相干性很容易从数学上解释，但很难从物理上构建，因为来自外部的微小扰动会导致粒子在旋转中上升和下降。

碳原子被氮原子取代的钻石在晶格中有一个剩余电子和一个空位。利用这个空位的内在性质可以形成相干量子态。它甚至可以与其他空位纠缠在一起——这有点像相干性，但不同于不能确定地描述单个粒子，多个粒子可以被归入同一个数学系统，不能没有彼此而被描述。

最后，科学家们希望建造计算设备，将数据编码成单个自旋、相干自旋组和纠缠自旋组。在这种模式下，你可能想用量子计算机来相互交流，创造出类似量子互联网的东西。或许你也可以把量子态信息转化成运动的东西，比如一个光学粒子(称为光子)。

然而，当你试图将自旋主句翻译成光子信息时，这些氮空位钻石有一个问题:当它们释放光子时，它们的频率(用颜色表示)并不完全相同。它们是不可预测的。科学家也许能够用硅空位钻石克服这个问题。

没有参与这项研究的研究生米希尔·巴斯卡说:“一个好的自旋光子界面应该总是以相同清晰的频率发射光子，并且不确定性非常低。不幸的是，(氮空位金刚石)发射的97%的光子伴随着金刚石的晶格振动，这使得光子的频率偏离了所需的频率，使得它们无法用于量子网络任务。”

然而，尽管其他研究人员先前已经创造了硅空位钻石，这项研究走得更远。他们的工作表明，硅空位金刚石能够以清晰稳定的频率释放光子，从而成为一种非常有前途的自旋光子界面。研究人员通过制造钻石、进行一系列实验和光测量证明了这一点。

当然，这并不是向量子互联网的巨大飞跃。另一项经过同行评议的研究指出，除非钻石受到巨大的压力——可能是地球表面大气压力的10，000倍——否则钻石不会非常清楚地发出转换后的光信息。“在将SiV0与未来技术整合的过程中，钻石所需的应急工程是一个巨大的挑战，”米希尔·巴斯卡说。

目前，它仍然是量子计算机发展的初级阶段，很难说哪种技术会持续到最后。然而，最终能够实现的技术可能非常奇怪，也许使用了高度工程化的奇异量子系统，比如硅填充的钻石。