量子物理学第一:钻石操纵的电子轨道 _知识经验

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虽然钻石中的大多数缺陷都是不受欢迎的，但有些缺陷是量子物理学家最好的朋友，它们可能会存储有一天可能会在量子计算系统中使用的信息。
【量子物理学第一:钻石操纵的电子轨道】康奈尔大学的应用物理学家展示了一种设计这些缺陷的一些关键光学特性的技术，这为探索量子力学提供了一种新的工具。
由应用和工程物理学教授格雷格富克斯(GregFuchs)领导的一组研究人员成为第一批利用谐振器产生的振动来帮助稳定这些光学特性的人，迫使钻石的电子进入激发态轨道状态。发表在《物理评论快报》上的论文《利用机械谐振器操纵金刚石氮空位中心的轨道状态》详细描述了这项研究。
就像计算机的晶体管通过“开”或“关”来记录二进制信息一样，这些原子金刚石缺陷的内部状态也可以代表信息的某些部分，例如，它的旋转——角动量的内部形式——是“向上”还是“向下” 。“但与只有两种状态的晶体管不同，自旋具有同时上下移动的量子能力。结合起来，这些量子态可以比晶体管更好地指数级记录和共享信息，从而使计算机能够以难以想象的速度执行一些计算。
挑战：量子信息很难从一个地方传递到另一个地方。物理学家尝试了许多材料和技术，包括在钻石的原子缺陷中使用光学特性，称为氮空位中心。
“钻石氮空位中心能擅长的一件事就是沟通。所以你可以有一个电子自旋，这是一个很好的量子态，然后你可以把它的状态转换成光子，”富克斯说，并补充说光子可以把这些信息带到另一个缺陷。“挑战之一是稳定它，让它按照您想要的方式工作。我们为光学跃迁提供了新的工程工具箱，希望能做得更好。”
研究团队首先需要设计一种可以通过钻石缺陷发送振动波的装置。千兆频率机械谐振器由单晶金刚石制成，然后以大约1千兆赫兹振动的声波通过缺陷传播。
目标是利用声音改变缺陷的光学跃迁，其中从一种能态到另一种能态的变化导致光子的发射。这些跃迁往往会根据各种环境条件而波动，从而很难产生携带信息的相干光子。
负责这项研究的博士生陈说，例如，随机波动的电场会使光学跃迁波长不稳定。
“为了抑制这些非相干涨落的影响， ”陈说，“我们能做的一件事就是消除电子轨道和不必要的随机电场之间的耦合。这就是谐振器产生的声波发挥作用的地方。”
为了弄清实验是否有效，研究团队用波长可调的激光显微镜扫描金刚石的氮空位中心。当激光的波长与光学跃迁共振时，可以看到发射的光子，这是电子达到激发态的明确指示。然后，研究人员研究了声波如何改变轨道状态，从而改变光学跃迁。