虽然钻石中的缺陷大多是不受欢迎的,但某些缺陷是量子物理学家最好的朋友,有可能储存一些有可能用于量子计算系统的信息。

康奈尔大学的应用物理学家已经展示了一种用于设计这些缺陷的一些关键光学特性的技术,为探索量子力学提供了一种新工具。

由应用和工程物理学教授Greg Fuchs领导的一组研究人员成为第一个使用谐振器产生的振动来帮助稳定这些光学特性,迫使钻石的电子进入激发轨道状态的团队。该研究在“物理评论快报”杂志4月17日发表的论文《使用机械共振器研究钻石氮空位中心的轨道状态操纵》中有详细介绍。

量子物理学的第一次:在钻石中操纵的电子轨道-量子客

就像计算机的晶体管通过“开”或“关”记录二进制信息一样,这些原子级钻石缺陷的内部状态也可以表示信息位,例如其自旋 - 角动量的固有形式 - 是“向上“或”向下“。但与不同的晶体管不同,晶体管只有两种状态,它们具有同时上下的量子能力。这些量子态结合使用时,可以比晶体管更好地记录和共享信息,使计算机能够以一种难以想象的速度执行某些计算。

挑战:难以将量子信息从一个地方转移到另一个地方。物理学家已经尝试了许多材料和技术,包括在被称为氮空位中心的钻石原子缺陷内使用光学性质。

“钻石氮空位中心的一个优势就是沟通。所以你可以有一个电子自旋,这是一个很好的量子态,那么你可以将它的状态转换成光子的光子,“Fuchs说,他补充说,光子可以将这一点信息带到另一个缺陷。“这样做的挑战之一就是稳定它并使其按照你想要的方式工作。我们已经提供了一个新的工具箱,用于光学过渡,希望能够使其更好。“

研究团队首先需要设计出一种能够通过钻石缺陷发出振动波的装置。用单晶金刚石制作了一种giga赫兹-频率机械谐振器,然后通过缺陷发出大约1千兆赫的声波振动。

目标是使用声音来改变缺陷的光学跃迁,其中从一种能量状态到另一种能量状态的变化导致发射光子。这些转换倾向于基于各种环境条件而波动,使得难以产生相干光子来携带信息。

举例来说,随机波动的电场可能会使光学转换波长不稳定,据领导这项研究的博士生Huiyao Chen说。

“为了抑制这些不连贯波动的影响,”陈说,“我们可以做的一件事是消除电子轨道和不需要的随机电场之间的耦合。这就是谐振器产生的声波起作用的地方。“

为了知道实验是否奏效,研究团队使用带有可调波长激光器的显微镜扫描钻石的氮空位中心。当激光的波长与光学跃迁共振时,可以看到发射的光子,这是电子已经达到激发态的一个可靠指示。研究人员随后研究了声波如何改变轨道状态,从而改变光学过渡。

这项研究由海军研究办公室资助,得到了康奈尔纳米科学技术设施和康奈尔材料研究中心的设施支持。