探索量子物理學(xué)，第一個(gè)用鉆石操縱的電子軌道

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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(xué)家最好的朋友，有可能存儲(chǔ)有朝一日可能在量子計(jì)算系統(tǒng)中使用的信息?？的螤柎髮W(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家已經(jīng)展示了一種技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)這些缺陷的一些關(guān)鍵光學(xué)特性，為探索量子力學(xué)提供了一種新工具。

由應(yīng)用和工程物理學(xué)教授Greg Fuchs領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員已經(jīng)成為第一個(gè)使用諧振器產(chǎn)生的振動(dòng)來(lái)幫助穩(wěn)定這些光學(xué)特性的人，迫使鉆石的電子進(jìn)入激發(fā)的軌道狀態(tài)。

就像計(jì)算機(jī)的晶體管通過(guò)“開”或“關(guān)”來(lái)記錄二進(jìn)制信息一樣，這些原子級(jí)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(dòng)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(shí)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(jì)算機(jī)以一次難以想象的速度執(zhí)行某些計(jì)算。

挑戰(zhàn)：將量子信息從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方很困難。物理學(xué)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(xué)特性。

“鉆石氮空位中心可以很好地進(jìn)行通信。所以你可以進(jìn)行電子自旋，這是一個(gè)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(shuō)道。然后，光子可以將該位信息傳送到另一個(gè)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(gè)新的工程箱，用于工程的光學(xué)轉(zhuǎn)換，希望能讓它變得更好?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)首先需要設(shè)計(jì)一種可以通過(guò)鉆石缺陷發(fā)出振動(dòng)波的設(shè)備。千兆頻率機(jī)械諧振器由單晶金剛石制成，然后以約1千兆赫茲振動(dòng)的聲波通過(guò)缺陷發(fā)送。

目標(biāo)是使用聲音來(lái)改變?nèi)毕莸墓鈱W(xué)躍遷，其中從一種能態(tài)到另一種能量態(tài)的變化導(dǎo)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(dòng)，使得難以產(chǎn)生用于攜帶信息的相干光子。例如，隨機(jī)波動(dòng)的電場(chǎng)可能會(huì)使光學(xué)過(guò)渡波長(zhǎng)不穩(wěn)定，負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的博士生Huiyao Chen表示。

“為了抑制這些非相干波動(dòng)的影響，”陳說(shuō)，“我們能做的一件事就是消除電子軌道和不需要的隨機(jī)電場(chǎng)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(shí)驗(yàn)是否有效，研究小組使用帶可調(diào)波長(zhǎng)激光的顯微鏡掃描鉆石的氮空位中心。當(dāng)激光的波長(zhǎng)與光學(xué)躍遷共振時(shí)，可以看到發(fā)射的光子，這是電子已經(jīng)達(dá)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(xué)過(guò)渡。
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