这篇文章由来自AWS的BartMachielse博士和DanielRiedel博士以及来自元素六的DanielTwitchen博士贡献。
钻石中的色心是量子通信和网络的领先技术平台。在这篇博文中，我们向您介绍了量子通信的关键概念，并讨论了如何在量子网络节点中使用钻石。
我们还宣布与元素六开展一项新的研究合作，以探索开发和改进用于量子网络的合成金刚石的方法。
量子网络：长距离纠缠分布量子网络利用纠缠和叠加的特性在网络终端用户之间安全地分发量子信息。这些网络由两种类型的节点组成——骨干节点和最终用户节点——每种节点都依赖于不同类型的技术。终端用户节点可以使用传统的电信资源，如激光器和探测器与骨干节点进行通信。另一方面，骨干节点将需要一种新型基础设施：量子中继器。这些中继器的功能与经典通信网络中的放大器类似，可纠正量子信息在长距离传播时发生的丢失和不保真，但能够在不破坏通过网络的光的量子态的情况下这样做。这使得纠正单个光粒子（称为光子）不可避免的散射成为可能，因为它们甚至通过最好的电信光纤。因此，这些中继器使量子信息的远距离传播成为可能，否则由于光子损失而无法传播。量子中继器将作为未来量子互联网的支柱，实现安全和私密的通信——使其成为AWS量子网络中心的研究重点。
量子中继器的核心元件是与光交互的存储量子位。该量子位捕获编码在光上的信息，将其存储，并与附近的其他量子位一起执行纠错，以消除通信过程中可能发生的任何错误。为了可行，这些内存量子比特需要与可见光或电信领域的光进行可靠的相互作用（排除量子计算中许多领先的量子比特候选者，例如超导量子比特），并且最好能够大规模生产。这些要求使得缺陷量子位（如钻石中的色心）成为量子中继器存储器的主要候选者。
有缺陷但未损坏固体中的缺陷是一大类量子位，由一个或多个原子组成，在原本均匀的晶体材料内部形成缺陷。根据所用原子和材料的类型，量子位由缺陷原子的电子或磁态定义。缺陷量子位自然存在于许多材料中，并且通常可以通过有针对性地植入具有所选缺陷原子的宿主材料来人工引入。尽管有这么多材料能够承载缺陷量子位，但找到具有任何特定属性组合的材料缺陷对是一项具有挑战性的任务。
资料来源：AWS量子网络中心图1–这些NV（左）和SiV（右）图显示了它们在金刚石晶格内的原子构型。在每种情况下，碳原子（银）都被空位（白色和黑色轮廓）和缺陷原子（棕色的氮，金色的硅）取代。
钻石是自然界最非凡的材料之一。金刚石由碳原子晶格构成，是世界上最坚硬的天然材料，具有最广的透光性，是最好的天然热导体。它在从最深、最冷的真空到极高的压力和温度的各种环境中都很稳定——甚至可以安全地融入活体。由于地表以下数百公里处的构造压力，天然钻石形成于地球深处。由于其生长环境，这些钻石千姿百态，独一无二。尽管钻石比其他天然晶体更纯净，但在漫长而缓慢的生长过程中，钻石含有许多从环境中吸收的不同杂质。这些杂质赋予钻石广泛的颜色——从深蓝色到亮粉色。然而，在某些情况下，钻石中的缺陷不仅仅使它们变得独特和美丽：它们还可以作为量子网络应用的特殊量子比特。
金刚石具有许多不同的缺陷，但有两类金刚石缺陷量子位已成为通信应用的主要候选对象：氮空位中心(NV)和硅空位中心(SiV)。NV和SiV都是通过从金刚石晶格中去除两个相邻的碳原子，并分别用单个氮原子或硅原子代替它们而形成的。
资料来源：AWS量子网络中心图2–嵌入钻石中的原子缺陷可以改变它与光相互作用的方式。此处，一颗元素六高纯度PECVD生长的钻石被注入SiV（右上）和NV（右下），并进行退火处理。当用绿光照射时，纯金刚石（左）的区域不发光，有缺陷的区域会产生不同强度的红光，从而产生前面的图像。
嵌入钻石中的原子缺陷可以改变它与光相互作用的方式。此处，一颗元素六高纯度PECVD生长的钻石被注入SiV（右上）和NV（右下），并进行退火处理。当用绿光照射时，纯金刚石（左）的区域不发光，有缺陷的区域会产生不同强度的红光，从而产生前面的图像。资料来源：AWS量子网络中心。
量子中继器的工作原理是将编码在光子上的信息传输到固定的存储量子位上，信息可以在其中存储和校正。缺陷量子位，例如色心，是此操作的良好候选者，因为它们自然具有与光（其颜色的来源）的有效界面，并且因为子集可以访问长寿的“自旋”记忆。这种自旋可以被认为是包含在材料中每个电子、质子和中子中的微小磁铁。可以通过将量子位放置在磁场中来访问该自旋存储器，这样自旋沿着磁场的方向定向。然后通过自旋是指向磁场还是相反来定义存储器，这分别对应于1位或0位。当光从色心反射回来时，它可以翻转这个自旋量子位，在所谓的自旋光子界面中，使光和自旋记忆之间的信息传输成为可能。具有这种特性的色心——例如NV和SiV——是量子中继器的有用候选者。
NV和SiV与其他色心不同，它们位于金刚石中，金刚石与多种半导体工艺兼容，并且在许多不同环境下具有化学惰性和稳定性。这意味着这些量子位可以放置在为特定应用而设计的纳米级设备中。例如，NV通常放置在显微镜扫描探针的尖端，或者放置在半球形透镜或用于有效收集光的柱子的中心。SiV对环境不太敏感，可以放置在更小的结构中。它们通常用于只有数百纳米宽的波导和光子晶体腔内。
图–用于增强颜色中心光线收集的钻石柱。资料来源：AWS量子网络中心。
图4-由金刚石制成的光子晶体器件，用于确保色心和光之间的确定性相互作用。资料来源：AWS量子网络中心。
SiV是经过充分研究的缺陷类别的一部分，称为“IV组”缺陷，由它们在元素周期表中的位置给出，这些缺陷以对表面发生的磁场和电场波动的低敏感性而著称大多数材料。这种降低的灵敏度使得SiV可以放置在更小的结构内——这反过来又提高了它们与光相互作用的可靠性。SiV缺陷还具有使其非常适合量子网络操作的其他特性。它具有长达10毫秒的相干时间，以及可以存活超过一秒的二级核自旋记忆。SiVs可单独高精度控制读出，读出保真度99.98%，单量子位门保真度优于99%，自旋光子门保真度优于95%。内存增强型量子通信，这一基准意味着SiV将使通信距离比没有中继器时更长。设计和扩大围绕SiV的技术应该使这项技术的广泛部署成为可能——而这项工程从金刚石材料本身开始。
探索用于量子网络的新合成金刚石解决方案
在天然金刚石中，不需要的缺陷原子数量会降低色心（如NV和SiV）的相干性、光学和自旋特性。幸运的是，合成钻石生长技术的出现使得减少这些不受欢迎的缺陷成为可能。过去20年，等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术的进步使单块金刚石板的生长具有足够的纯度和有序性，可用于量子应用。PECVD生长能够形成比卢浮宫展出的著名纯天然钻石RegentDiamond纯度数百或数千倍的钻石。在最好的PECVD钻石中，只有不到百万分之一的原子是杂质——相比之下，大多数天然钻石的杂质是千分之一。
继续投资PECVD金刚石技术对于实现其在量子应用中的利用至关重要。改进对金刚石生长过程中产生的缺陷类型和材料的控制，扩大可大规模生产的金刚石的不同形态，以及降低其制造成本对于该领域的发展至关重要。
宣布AWS量子网络中心与元素六之间的新合作
金刚石的光学和量子特性使其在量子网络和量子通信应用方面具有独特的前景——但长期以来，无法广泛获取不同等级和形态的金刚石一直是该领域面临的挑战。元素六和AWS正在合作开发新技术，使金刚石成为一种更灵活、更易获取的材料——帮助推动这项技术的发展和进步。
今天，AWS宣布与元素六(
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