新型“量子钻石”或使量子互联网成为可能

据国外媒体报道，“钻石恒久远”是一句脍炙人口的广告语，但除此之外，钻石还具有许多奇怪的特性。现在，一种含有杂质的钻石或许将在未来的量子技术——甚至是量子互联网——中发挥巨大的作用。

听起来这似乎是无稽之谈，那让我们从头讲起。钻石是碳元素组成的晶体，每个碳原子与相邻的4个碳原子形成共价键，紧密联系在一起。科学家通过将钻石中的一些碳原子替换成氮原子，发现了一些有趣的用途，比如制造一个时间晶体（time crystal）。在一项新实验中，科学家将一些碳原子替换成硅原子，制造出了具有硅空位的钻石，或许未来将应用在量子系统中。

“通过细致的材料工程学方法，我们得以揭示SiV0钻石高度连贯的光学和自旋特性，”研究作者、普林斯顿大学助理教授Nathalie de Leon写道。他们的研究结果发表在近期的《科学》（Science）杂志上。基本上，这些钻石具有的特性使它们能用于量子计算机的相互连接。

当我们提到“量子”时，基本上就意味着“服从量子力学的奇怪规则”。首先请思考自旋的属性。电子可以向上或向下旋转，就像一个棋子可以是红色或黑色。如果把你的眼睛蒙上，再递给你一个棋子，此时你并不会知道它是什么颜色；但在理论上，如果你知道放棋子的袋子的所有细节，并了解别人伸手到袋子里的方式，你或许就能猜出棋子是什么颜色。

然而，电子的自旋就不是这样了，它具有自己的运作方式。如果它是量子，你可以从字面上了解关于一个系统的所有信息，但依然不知道电子是向上还是向下自旋。这就是相干态，通常被翻译成电子同时向上和向下自旋。这种相干性很容易用数学方法解释，但很难在物理上构建，因为来自外界的极微小扰动都会导致粒子在旋转中上升和下沉。

用氮原子替换了碳原子的钻石在晶格中具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一个相干量子态。它甚至可以和其他空位纠缠——这有点像相干性，但与无法确定描述单个粒子不同的是，多个粒子可以被归到同一个数学体系中，并且无法在缺少彼此的情况下被描述。

最终，科学家希望构建出数据可以被编码成单个自旋、相干自旋组和纠缠自旋组的计算设备。在这样的范式中，你或许会希望用量子计算机相互通信，创造出类似量子互联网的东西。或许你还能将量子态信息翻译成某种活动的东西，比如一个光粒子（称为光子）。

但是，当你试图将自旋主句翻译成光子信息时，这些氮空位钻石就会出现一个问题：当它们释放光子时，它们的频率（表现为颜色）并不完全相同。它们是无法预知的。科学家或许可以用硅空位钻石克服这一问题。

未曾参与该研究的研究生Mihir Bhaskar说：“一个良好的自旋光子界面应该始终发射频率相同且清晰的光子，具有非常低的不确定性。遗憾的是，（氮空位钻石）发出的97％的光子都伴随着钻石晶格振动，这使得光子的频率从所需的频率偏移，使它们无法用于量子网络任务。”

不过，尽管其他研究者此前已经创造出了硅空位钻石，但这项研究更进一步。他们的工作显示，硅空位钻石可以在一个清晰且稳定的频率上释放光子，从而成为非常有前景的自旋光子界面。研究人员通过制造钻石并进行了一系列试验和光测量证明了这一点。

当然，这还算不上一个接近实现量子互联网的巨大飞跃。另一项尚未经过同行评议的研究指出，钻石不会非常明显地发出翻译后的光信息，除非受到极大的压力——或许是地球表面大气压的一万倍。“在将SiV0与未来技术整合的过程中，钻石所要求的应变工程是巨大的挑战，”Mihir Bhaskar说道。

目前还是量子计算机开发的初期阶段，很难说哪种技术将坚持到最后。不过，最终能做到的技术很可能会非常奇怪，或许会用到高度工程化的奇特量子系统，比如硅填充钻石。