鉆石是承載量子信息的明星材料，但它也帶來了挑戰：鉆石中嵌入的量子信息信號往往雜亂無章、前后矛盾。科學家已經對這種矛盾現象給出了解釋，但他們需要一種方法來檢查鉆石的組成部分，以找出罪魁禍首。
由詹妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）領導的斯坦福研究小組，使用高倍數的顯微鏡來放大鉆石的原子級結構。在發表在《美國國家科學院院刊》?（PNAS）上的一篇論文中，該研究小組證明，鉆石內部的復雜結構在很大程度上解釋了嵌入其中的量子位產生的不穩定信號。
（https://doi.org/10.1073/pnas.2308247121）
“之前沒有很好的方法將量子比特的結構與發射信號關聯起來，但研究人員會觀察到發射中存在相當大的異質性，”Q-NEXT副主任、斯坦福大學材料科學教授兼放射學教授?Dionne說?！艾F在，我們解決了這個問題，是通過將原子尺度結構與量子特性聯系起來。”
???硅空位
該團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比當今最佳工具高出許多倍的精度，對于量子通信網絡來說也是如此，量子通信網絡由于其量子性質，幾乎可以防竊聽。
Dionne團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。在理想世界中，鉆石中的空位充當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，他在斯坦福大學讀研究生時進行了這項研究。
但科學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團隊進行了更深入的研究。
???鉆石的多個切面
與大多數晶體一樣，鉆石由彼此相鄰的區域組成，就像不規則形狀的樂高積木。這些區域(或域)通過其原子“顆?！边M行區分，就像木紋一樣。原子在對角線上排列的區域可能與另一個前后方向的區域相鄰。
研究團隊使用掃描透射電子顯微鏡逐個檢查這些區域，測量每個區域的光子發射情況——這是一項極其精確的任務，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。
這張圖片展示了斯坦福大學Dionne團隊研究的納米金剛石的3D透視圖。圖片來源：Dionne團隊/斯坦福大學
“我們持續觀察這些鉆石，最終開始看到這些非?？?、非常獨特的光子發射區域——不同區域的光子分布各不相同，”安吉爾（Angell ）說。
結論非常明確：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。
研究小組發現，空位的應變方式會影響發射光子的性質，就像其在晶粒結構中的位置一樣。
科學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，即單一光子發射器。但鉆石樣品由多個緊密堆積的區域組成，每個區域都有自己的光子發射器。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?！般@石的不同晶面和晶體的特定方向會對發射的亮度和顏色產生重大影響?！?/span>
即使相距不遠的空位也會產生明顯不同的光子發射。
“當兩個空位相距僅5納米時，我們看到發射信號出現了完全離散的跳躍，”Angell說道?！霸诩{米尺度上看到這種幾乎完美的發射分離線——發射的明顯變化——是我以前從未見過的。這確實是令人信服的數據?！?/span>
???水晶般清晰
Angell將不同類型的晶粒應變與其各自的光子分布關聯起來，為研究人員提供了高分辨率的應變和發射圖，以便更好地理解他們自己的發現。
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，準確了解正在研究的晶體粒子的底層晶粒結構非常重要。如果你正在收集整個粒子的發射，并且發現發射很模糊，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，使量子系統中的結構-功能關聯變得精確，并最終改善量子通信、量子網絡和量子傳感?！?/span>
這項工作得到了美國能源部科學辦公室國家量子信息科學研究中心的支持，是 Q-NEXT 中心的一部分。
文章信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2308247121
