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，可以用作量子比特，量子计算和量子通信的最小计算单位。这一结果是高性能量子计算机和安全量子通信网络发展的重要一步。
研究人员在《物理评论X》杂志上发表了他们的研究结果。
量子计算机和量子通信是数据处理和传输的前沿技术，比传统计算机更快、更安全。量子比特是量子计算机的基本信息单位;它们是普通数据处理中比特的量子力学对应物。
例如，在经典数字通信中，玻璃纤维中的激光脉冲将信息从a传输到B，而量子力学使用的是单个光子。原则上，这使得无法拦截传输的数据。
光学可寻址的量子比特(可以用光控制或读出)适合于存储光子信息并在量子计算机中进行处理。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。
量子比特的稳定性是关键
量子比特发展的一个主要挑战是延长相干时间，即量子比特能够以稳定的方式存储信息的时间。能够控制量子位并保持它们足够稳定，以便在实际应用中利用它们的特性，对于开发高效和可扩展的量子计算机的可行性至关重要。
在KIT的物理研究所，博士研究员Ioannis Karapatzakis和Jeremias Resch研究了如何精确控制钻石中被称为锡空位(SnV)中心的特殊缺陷。他们的工作是两个项目的一部分:量子中继器。link (QR.X)用于基于光纤的安全量子通信和SPINNING，旨在开发基于金刚石自旋光子的量子计算机。
Karapatzakis说:“金刚石碳原子晶格结构的缺陷发生在原子缺失或被其他原子(如锡)取代时。”
这些缺陷可以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，这些缺陷可以用作稳定的量子比特，可以存储和处理信息，并将其与光子耦合。
有限公司相干时间有相当大的改善
金刚石量子比特的优势在于存在于固相中，这使得它们比其他量子材料(例如真空中的原子)更容易处理。Karapatzakis和Resch能够使用微波精确和可观察地控制锡空位中心量子比特的电子自旋。
“我们能够将钻石SnV中心的相干时间提高到10毫秒——这是一个重大的进步，”Resch说。他们通过动态解耦实现了这一点，这在很大程度上抑制了干扰。
研究人员的研究结果的另一个特别之处在于，他们首次成功地证明了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上，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非常低的温度下研究的。更高的温度会使量子比特失去作用，”卡拉帕扎基斯说。
“为了在两个用户之间或(以后)两台量子计算机之间建立通信，我们需要将量子比特的量子态转移到光子上，”Resch指出。
“通过量子比特的光学读出和达到稳定的光谱特性，我们朝着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研究结果，为未来安全高效量子通信的发展提供了重要突破。”
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