探索量子物理學，第一個用鉆石操縱的電子軌道

（文章來源：網(wǎng)絡整理）

雖然鉆石中的缺陷大多是不可取的，但某些缺陷是量子物理學家最好的朋友，有可能存儲有朝一日可能在量子計算系統(tǒng)中使用的信息。康奈爾大學的應用物理學家已經(jīng)展示了一種技術(shù)來設計這些缺陷的一些關(guān)鍵光學特性，為探索量子力學提供了一種新工具。

由應用和工程物理學教授Greg Fuchs領(lǐng)導的一組研究人員已經(jīng)成為第一個使用諧振器產(chǎn)生的振動來幫助穩(wěn)定這些光學特性的人，迫使鉆石的電子進入激發(fā)的軌道狀態(tài)。

就像計算機的晶體管通過“開”或“關(guān)”來記錄二進制信息一樣，這些原子級鉆石缺陷的內(nèi)部狀態(tài)也可以代表信息的一些部分，例如它的旋轉(zhuǎn) - 一種角動量的內(nèi)在形式 - 是“上或下?！钡c僅具有兩種狀態(tài)的晶體管不同，自旋具有同時上下的量子能力。結(jié)合使用，這些量子態(tài)可以比晶體管以指數(shù)方式更好地記錄和共享信息，從而允許計算機以一次難以想象的速度執(zhí)行某些計算。

挑戰(zhàn)：將量子信息從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方很困難。物理學家已經(jīng)嘗試了許多材料和技術(shù)，包括在稱為氮空位中心的鉆石的原子缺陷內(nèi)使用光學特性。

“鉆石氮空位中心可以很好地進行通信。所以你可以進行電子自旋，這是一個很好的量子態(tài)，然后你可以將它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成光子，”Fuchs說道。然后，光子可以將該位信息傳送到另一個缺陷?！斑@樣做的挑戰(zhàn)之一就是穩(wěn)定它并讓它按照你想要的方式工作。我們提供了一個新的工程箱，用于工程的光學轉(zhuǎn)換，希望能讓它變得更好。”

研究團隊首先需要設計一種可以通過鉆石缺陷發(fā)出振動波的設備。千兆頻率機械諧振器由單晶金剛石制成，然后以約1千兆赫茲振動的聲波通過缺陷發(fā)送。

目標是使用聲音來改變?nèi)毕莸墓鈱W躍遷，其中從一種能態(tài)到另一種能量態(tài)的變化導致光子的發(fā)射。這些轉(zhuǎn)變傾向于基于各種環(huán)境條件而波動，使得難以產(chǎn)生用于攜帶信息的相干光子。例如，隨機波動的電場可能會使光學過渡波長不穩(wěn)定，負責這項研究的博士生Huiyao Chen表示。

“為了抑制這些非相干波動的影響，”陳說，“我們能做的一件事就是消除電子軌道和不需要的隨機電場之間的耦合。這就是諧振器產(chǎn)生的聲波發(fā)揮作用的地方“。

為了了解實驗是否有效，研究小組使用帶可調(diào)波長激光的顯微鏡掃描鉆石的氮空位中心。當激光的波長與光學躍遷共振時，可以看到發(fā)射的光子，這是電子已經(jīng)達到激發(fā)態(tài)的確定指示。然后研究人員研究了聲波如何改變軌道態(tài)，從而改變光學過渡。
（責任編輯：fqj）