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新型“量子鉆石”或將使量子互聯網成為可能

2018-07-13     來源:新浪科技

 

  SiV0鉆石

        新浪科技訊 北京時間7月13日消息,據國外媒體報道,“鉆石恒久遠”是一句膾炙人口的廣告語,但除此之外,鉆石還具有許多奇怪的特性。現在,一種含有雜質的鉆石或許將在未來的量子技術——甚至是量子互聯網——中發揮巨大的作用。

  聽起來這似乎是無稽之談,那讓我們從頭講起。鉆石是碳元素組成的晶體,每個碳原子與相鄰的4個碳原子形成共價鍵,緊密聯系在一起。科學家通過將鉆石中的一些碳原子替換成氮原子,發現了一些有趣的用途,比如制造一個時間晶體(time crystal)。在一項新實驗中,科學家將一些碳原子替換成硅原子,制造出了具有硅空位的鉆石,或許未來將應用在量子系統中。

  “通過細致的材料工程學方法,我們得以揭示SiV0鉆石高度連貫的光學和自旋特性,”研究作者、普林斯頓大學助理教授Nathalie de Leon寫道。他們的研究結果發表在近期的《科學》(Science)雜志上。基本上,這些鉆石具有的特性使它們能用于量子計算機的相互連接。

  當我們提到“量子”時,基本上就意味著“服從量子力學的奇怪規則”。首先請思考自旋的屬性。電子可以向上或向下旋轉,就像一個棋子可以是紅色或黑色。如果把你的眼睛蒙上,再遞給你一個棋子,此時你并不會知道它是什么顏色;但在理論上,如果你知道放棋子的袋子的所有細節,并了解別人伸手到袋子里的方式,你或許就能猜出棋子是什么顏色。

  然而,電子的自旋就不是這樣了,它具有自己的運作方式。如果它是量子,你可以從字面上了解關于一個系統的所有信息,但依然不知道電子是向上還是向下自旋。這就是相干態,通常被翻譯成電子同時向上和向下自旋。這種相干性很容易用數學方法解釋,但很難在物理上構建,因為來自外界的極微小擾動都會導致粒子在旋轉中上升和下沉。

  用氮原子替換了碳原子的鉆石在晶格中具有一個剩余電子和一個空位。利用這個空位的內在性質可以形成一個相干量子態。它甚至可以和其他空位糾纏——這有點像相干性,但與無法確定描述單個粒子不同的是,多個粒子可以被歸到同一個數學體系中,并且無法在缺少彼此的情況下被描述。

  最終,科學家希望構建出數據可以被編碼成單個自旋、相干自旋組和糾纏自旋組的計算設備。在這樣的范式中,你或許會希望用量子計算機相互通信,創造出類似量子互聯網的東西。或許你還能將量子態信息翻譯成某種活動的東西,比如一個光粒子(稱為光子)。

  但是,當你試圖將自旋主句翻譯成光子信息時,這些氮空位鉆石就會出現一個問題:當它們釋放光子時,它們的頻率(表現為顏色)并不完全相同。它們是無法預知的。科學家或許可以用硅空位鉆石克服這一問題。

  未曾參與該研究的研究生Mihir Bhaskar說:“一個良好的自旋光子界面應該始終發射頻率相同且清晰的光子,具有非常低的不確定性。遺憾的是,(氮空位鉆石)發出的97%的光子都伴隨著鉆石晶格振動,這使得光子的頻率從所需的頻率偏移,使它們無法用于量子網絡任務。”

  不過,盡管其他研究者此前已經創造出了硅空位鉆石,但這項研究更進一步。他們的工作顯示,硅空位鉆石可以在一個清晰且穩定的頻率上釋放光子,從而成為非常有前景的自旋光子界面。研究人員通過制造鉆石并進行了一系列試驗和光測量證明了這一點。

  當然,這還算不上一個接近實現量子互聯網的巨大飛躍。另一項尚未經過同行評議的研究指出,鉆石不會非常明顯地發出翻譯后的光信息,除非受到極大的壓力——或許是地球表面大氣壓的一萬倍。“在將SiV0與未來技術整合的過程中,鉆石所要求的應變工程是巨大的挑戰,”Mihir Bhaskar說道。

   目前還是量子計算機開發的初期階段,很難說哪種技術將堅持到最后。不過,最終能做到的技術很可能會非常奇怪,或許會用到高度工程化的奇特量子系統,比如硅填充鉆石。

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