斯坦福大學(xué)科學(xué)家為鉆石的量子信號帶來水晶般的清晰度

2024年6月13日，阿貢國家實驗室官網(wǎng)上發(fā)布一則最新動態(tài)，在美國能源部國家量子信息科學(xué)研究中心（Q-NEXT ）支持下，斯坦福大學(xué)的一個研究小組對鉆石進(jìn)行了深入研究，找到了其在發(fā)射量子信號時表現(xiàn)出不穩(wěn)定特性的根源，為構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和傳感器鋪平了道路。

據(jù)了解，Q-NEXT量子中心是“下一代量子科學(xué)和工程”的簡稱，是在美國《國家量子計劃法案》（2018年）指導(dǎo)下，由美國阿貢國家實驗室2020年牽頭組建的國家量子信息科學(xué)中心，重點開發(fā)安全的量子通信鏈路和傳感網(wǎng)絡(luò)。? ?鉆石是承載量子信息的明星材料人們常說，只見樹木不見森林。但仔細(xì)觀察樹木往往能發(fā)現(xiàn)茂密而荊棘叢生的整體。斯坦福大學(xué)的一個研究小組正是這樣做，他們試圖解決鉆石中棘手的量子信息問題。

鉆石是承載量子信息的明星材料，但它也帶來了挑戰(zhàn)：鉆石中嵌入的量子信息信號往往雜亂無章、前后矛盾?？茖W(xué)家已經(jīng)對這種矛盾現(xiàn)象給出了解釋，但他們需要一種方法來檢查鉆石的組成部分，以找出罪魁禍?zhǔn)住?/p>

由詹妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福研究小組，使用高倍數(shù)的顯微鏡來放大鉆石的原子級結(jié)構(gòu)。在發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》?（PNAS）上的一篇論文中，該研究小組證明，鉆石內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)在很大程度上解釋了嵌入其中的量子位產(chǎn)生的不穩(wěn)定信號。

（https://doi.org/10.1073/pnas.2308247121）

該透射電子顯微鏡圖像的彩色區(qū)域突出顯示了納米金剛石中的晶界。圖片來源：Dionne Group/斯坦福大學(xué)

“之前沒有很好的方法將量子比特的結(jié)構(gòu)與發(fā)射信號關(guān)聯(lián)起來，但研究人員會觀察到發(fā)射中存在相當(dāng)大的異質(zhì)性，”Q-NEXT副主任、斯坦福大學(xué)材料科學(xué)教授兼放射學(xué)教授?Dionne說?！艾F(xiàn)在，我們解決了這個問題，是通過將原子尺度結(jié)構(gòu)與量子特性聯(lián)系起來。”

???硅空位

該團(tuán)隊研究了一種稱為硅空位中心的量子比特。從鉆石中移除兩個碳原子，并用一個硅原子代替。由于一個原子取代了兩個原子，因此硅原子兩側(cè)均有一個間隙——一個半填充的空穴。

硅空位中心對于量子傳感器來說很有前景，量子傳感器可以實現(xiàn)比當(dāng)今最佳工具高出許多倍的精度，對于量子通信網(wǎng)絡(luò)來說也是如此，量子通信網(wǎng)絡(luò)由于其量子性質(zhì)，幾乎可以防竊聽。

Dionne團(tuán)隊測試了鉆石納米顆粒中的硅空位中心，這些鉆石是直徑只有幾百納米的微小鉆石碎片。通常，多個空位像海綿中的孔一樣散布在整個樣本中。

來自空位中心的信號以光子(光粒子)的形式出現(xiàn)。在理想世界中，鉆石中的空位充當(dāng)著一個值得信賴的光子工廠，每次從裝配線上下來時，它都會可靠地產(chǎn)生相同類型的光子——相同的顏色，相同的亮度。

“我們想要難以區(qū)分的光子，”該論文的第一作者丹尼爾·安吉爾(DanielAngell)說，他在斯坦福大學(xué)讀研究生時進(jìn)行了這項研究。

但科學(xué)家們看到從鉆石源射出的光子顏色和亮度各不相同。這促使Dionne團(tuán)隊進(jìn)行了更深入的研究。

???鉆石的多個切面

與大多數(shù)晶體一樣，鉆石由彼此相鄰的區(qū)域組成，就像不規(guī)則形狀的樂高積木。這些區(qū)域(或域)通過其原子“顆?！边M(jìn)行區(qū)分，就像木紋一樣。原子在對角線上排列的區(qū)域可能與另一個前后方向的區(qū)域相鄰。

研究團(tuán)隊使用掃描透射電子顯微鏡逐個檢查這些區(qū)域，測量每個區(qū)域的光子發(fā)射情況——這是一項極其精確的任務(wù)，使用功能較弱的工具幾乎不可能完成。他們開始注意到一種模式。

“我們持續(xù)觀察這些鉆石，最終開始看到這些非?？?、非常獨(dú)特的光子發(fā)射區(qū)域——不同區(qū)域的光子分布各不相同，”安吉爾（Angell ）說。

結(jié)論非常明確：域名起著重要作用。

每個域的紋理都會塑造其內(nèi)部的空缺，拉伸或擠壓它。雖然一個域中的空缺可能會以一種方式被擠壓，但相鄰的空缺可能會以不同的方式受到擠壓。

研究小組發(fā)現(xiàn)，空位的應(yīng)變方式會影響發(fā)射光子的性質(zhì)，就像其在晶粒結(jié)構(gòu)中的位置一樣。

科學(xué)家們一直在測量來自鉆石的模糊或不一致的信號，因為他們將樣品視為單一來源，即單一光子發(fā)射器。但鉆石樣品由多個緊密堆積的區(qū)域組成，每個區(qū)域都有自己的光子發(fā)射器。研究人員一直在測量來自森林而不是樹木的信號。

“晶體中空位的位置很重要，”Dionne說。“鉆石的不同晶面和晶體的特定方向會對發(fā)射的亮度和顏色產(chǎn)生重大影響?！?/p>

即使相距不遠(yuǎn)的空位也會產(chǎn)生明顯不同的光子發(fā)射。

“當(dāng)兩個空位相距僅5納米時，我們看到發(fā)射信號出現(xiàn)了完全離散的跳躍，”Angell說道?！霸诩{米尺度上看到這種幾乎完美的發(fā)射分離線——發(fā)射的明顯變化——是我以前從未見過的。這確實是令人信服的數(shù)據(jù)。”

???水晶般清晰

Angell將不同類型的晶粒應(yīng)變與其各自的光子分布關(guān)聯(lián)起來，為研究人員提供了高分辨率的應(yīng)變和發(fā)射圖，以便更好地理解他們自己的發(fā)現(xiàn)。

雖然谷物種類并不是造成光子信號模糊的唯一因素，但迪翁研究小組表明它起著重要作用。

“我們指出，準(zhǔn)確了解正在研究的晶體粒子的底層晶粒結(jié)構(gòu)非常重要。如果你正在收集整個粒子的發(fā)射，并且發(fā)現(xiàn)發(fā)射很模糊，那么很可能是因為其中存在某種晶粒邊界。你正在收集具有不同特征的不同空位，但你卻不知道，”Angell說。

他們的工作影響范圍也更廣，可應(yīng)用于空位中心量子比特家族的其他成員。

Dionne說：“這為大量研究打開了大門，使量子系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)聯(lián)變得精確，并最終改善量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感?！?/p>

這項工作得到了美國能源部科學(xué)辦公室國家量子信息科學(xué)研究中心的支持，是 Q-NEXT 中心的一部分。

文章信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2308247121