牛津剑桥曼大新突破:精准控制金刚石量子缺陷

未来产链 2025-06-17 18:01

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启明会议 




9月25-26日,2025先进封装及热管理大会将于江苏苏州召开。本次大会聚焦高算力热管理挑战,设置先进封装与异质异构论坛、高算力热管理创新论坛、液冷技术与市场应用论坛三大板块。


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由牛津大学、剑桥大学和曼彻斯特大学研究人员领导的一项新研究在量子材料领域取得了重大进展,开发出一种精确控制金刚石中单个量子缺陷的方法,这是迈向可扩展量子技术的关键一步。该研究成果发表在《Nature杂志上。


研究人员利用一种新的两步制备方法,首次证明了可以在金刚石中创建并监测单个IV族量子缺陷(即它们在“开启”时的状态)——金刚石晶格中的微小缺陷,可以利用量子物理的奇异规则存储和传输信息。通过将单个锡原子小心地放入合成金刚石晶体中,然后使用超快激光激活它们,该团队实现了对这些量子特征出现位置和方式的精确控制。这种精度对于构建实用的大规模量子网络至关重要,这些网络能够实现超安全通信和分布式量子计算,从而解决当前无法解决的问题。


该研究的合著者、牛津大学材料系的杰森·史密斯教授表示:“这一突破使我们对金刚石中单个锡空位色心实现了前所未有的控制,这对于可扩展的量子器件来说是一个至关重要的里程碑。最让我兴奋的是,我们可以实时观察量子缺陷是如何形成的。”


具体来说,钻石中的缺陷充当着自旋-光子界面的作用,这意味着它们可以将信息量子比特(存储在电子自旋中)与光粒子连接起来。锡空位缺陷属于IV族色心——这类缺陷是由硅、锗或锡等原子在钻石中产生的。


IV族中心长期以来因其高度对称性而备受推崇,这赋予了它们稳定的光学和自旋特性,使其成为量子网络应用的理想选择。人们普遍认为锡空位中心拥有这些特性的最佳组合——但迄今为止,可靠地定位和激活单个缺陷仍是一项重大挑战。


Richard Curry 教授和 Mason Adshead 博士使用纳米先进材料工程平台工具将单个锡原子放入金刚石中。图片来源:曼彻斯特大学


研究人员使用聚焦离子束平台——本质上是一种类似原子级喷雾罐的工具,将单个锡离子引导到钻石内部的精确位置。这使得他们能够以纳米级的精度(远比人类头发的宽度还要细)植入锡原子。


为了将注入的锡原子转化为锡空位色心,该团队随后在一种名为激光退火的工艺中使用了超快激光脉冲。该工艺温和地激发钻石的微小区域,而不会损坏钻石。这种方法的独特之处在于增加了实时光谱反馈功能——在激光过程中监测来自缺陷的光。这使得科学家们能够实时观察量子缺陷何时活跃起来,并相应地调整激光,从而对这些精密量子系统的创建提供了前所未有的控制水平。


这一突破具有几个重要意义:

  • 可扩展性:使用激光激活色心的能力可以实现精确定位,这对于构建大规模量子网络至关重要。
  • 集成:室温工艺与现有的半导体制造技术兼容,有利于将基于金刚石的量子比特集成到现有技术中。
  • 性能:激光激活的色心表现出优异的光学特性,包括高度的光学和自旋相干性,这对于量子通信和计算应用至关重要。


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来源:《nature》

链接:https://www.ox.ac.uk/news/



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