量子通信利用微波有效控制金刚石量子比特

德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员首次展示了如何利用微波精确控制钻石中的锡空位。这些空位具有特殊的光学和磁性，可用作量子比特，即量子计算和量子通信的最小计算单元。这一成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研究成果。

量子计算机和量子通信是数据处理和传输的先锋技术，比传统计算机速度更快、更安全。量子比特是量子计算机中信息的基本单位;它们是普通数据处理中比特的量子力学对应物。

例如，在传统数字通信中，光纤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，这使得拦截传输的数据变得不可能。

可光寻址(可用光控制或读出)的量子比特适合存储光子信息并在量子计算机中处理。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它们。

量子比特稳定性是关键

量子比特开发面临的一大挑战是延长相干时间，即量子比特能够稳定存储信息的时间。能够控制量子比特并保持其足够稳定以在实际应用中充分利用其特性，对于开发高效且可扩展的量子计算机的可行性至关重要。

在卡尔斯鲁厄理工学院物理研究所，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) 用于基于光纤的安全量子通信，以及 SPINNING，旨在开发基于钻石自旋光子的量子计算机。

卡拉帕扎基斯说：“当原子缺失或被锡等其他原子取代时，钻石碳原子的晶格结构就会出现缺陷。”

此类缺陷可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，这些缺陷可用作稳定的量子比特，用于存储和处理信息并将其与光子耦合。

相干时间显著改善

钻石量子比特具有以固相存在的优势，这使得它们比其他量子材料(例如真空中的原子)更容易操作。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 中心的相干时间延长到 10 毫秒，这是一个重大改进，”Resch 说道。他们通过动态去耦实现了这一目标，这在很大程度上抑制了干扰。

研究人员研究成果的另一个特别之处在于，他们首次成功证明这种类型的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处而不会产生热量。

“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研究的。更高的温度会使量子比特变得无用，”Karapatzakis 说。

“为了在两个用户之间或(稍后)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换为光子，”雷施指出。

“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方面的成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。”