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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
研究背景
利用光子和物質的量子特性傳輸數據的通信網絡比傳統網絡更安全。這種量子網絡的物理實現需要能夠將存儲的信息轉換為量子載體的特殊設備——類似于普通計算機如何將硬盤上的比特轉換為光纖信號。為了實現這種轉換，器件必須能夠在靜止的量子比特和用于數據傳輸的光子之間產生量子糾纏。一旦產生，糾纏光子和量子比特就可以用來執行各種任務，例如生成和發送加密密鑰。長距離量子通信和網絡需要具有高效光接口和長存儲時間的量子存儲節點。
關鍵問題
1、對于產生和存儲糾纏的量子網絡節點，需滿足以下基本要求該節點必須有一個有效的接口實現光子和物質“量子位”或“量子位”之間的轉換；必須保持對物質量子位的高度控制；必須能夠將物質量子位中的信息轉換成記憶量子位，以便長期存儲。由于超導組件的系統要求，量子網絡節點應能在近室溫下工作，而不是在極低的溫度下工作。光子和物質量子位之間的糾纏必須在實際應用中大規模產生，并且該設備必須能夠保持物質量子位的穩定性足夠長的時間，以便光子量子位在節點之間傳播。雖然懸浮在真空中的原子、半導體納米結構(如量子點)和IV族半導體材料(如金剛石)中的缺陷中心等系統已接近上述要求，但尚未實現全功能節點。
新思路
有鑒于此，哈佛大學物理系M. D. Lukin等人報道了基于金剛石納米光子腔中的硅空位中心(SIV)，實現了集成雙量子比特網絡節點。量子位寄存器由充當通信量子位的SiV電子自旋和充當量子存儲時間超過2秒的存儲量子位的強耦合硅-29核自旋組成。通過使用高應變SiV，實現了溫度高達1.5 K的電子-光子糾纏門和高達4.3K的核-光子糾纏門。作者還通過使用電子自旋作為標記量子位，展示了核自旋光子門中的有效錯誤檢測，證實了該平臺在可擴展量子中繼器的應用前景。
作者開發了具有非簡并躍遷頻率的四個自旋態的雙量子位系統，實現了電子自旋量子位的選擇性讀出以及比共振讀出高8倍的保真度。實現了雙量子比特29SiV系統的完全控制，通過使用動態解耦序列增加電子相干時間，實現了2s左右的核記憶時間。使用具有大殘余應變的SiV基態分裂抑制了熱退相干過程的速率，實現了在1.5 K下穩定的自旋光子糾纏態，通過引入光子-原子核糾纏門，實現了工作溫度高達4.3 K以及高保真度。利用電子自旋翻轉來檢測門錯誤，通過集成組件實現了在4.3 K下具有錯誤檢測的PHONE門，取得了高達2.5 ms的存儲時間和高保真度。
1、證實了金剛石中硅空位在長距離量子通信中的重要作用作者表明金剛石中的硅空位中心可用于產生和保持與光子的糾纏，使得長距離上的有效量子通信成為可能。作者選擇了一種特殊的同位素29Si，將其嵌入在空缺位置。29Si中的磁活性核有助于將存儲時間延長千倍，可達2s。本工作中光子和硅核之間的糾纏可以保持大約2.5毫秒，這是記錄的最長時間之一，并允許光子在失去糾纏之前傳播大約500公里。創建了一個工作的光子核糾纏(PHONE)量子操作，并擴展了典型量子操作的能力。通過內置錯誤監測實現了糾纏態有效壽命的延長，有望用于可擴展的量子網絡。創建了在4.3 K下工作的量子節點，比傳統系統工作溫度高43倍，可利用臺式冷卻系統可以用來操作這種設備。
技術細節
雙量子位系統
作者開發了具有非簡并躍遷頻率的四個自旋態的雙量子位系統。電子和核自旋量子位分別通過使用微波(MW)和射頻(RF)脈沖進行相干控制并通過金共面波導傳輸。SiV嵌入在納米光子腔中增強了到737 nm的受激態流形的光學躍遷，用于狀態讀出和自旋光子糾纏。SiV-腔系統呈現出高對比度的自旋相關反射光譜。通過在最大反射強度對比度的頻率下測量激光的反射強度，實現了電子狀態的高保真共振讀出。通過在發生最小核失相的激光頻率下探測系統，并利用反射光子的電子自旋相關相位(而不是強度)進行讀出，實現了電子自旋量子位的選擇性讀出。結果表明在導致1/e的核相干性損失之前，電子可以以95%的保真度被讀取14次，比共振讀出方法提高了八倍。
圖 基于29SiV的量子網絡節點
長壽命量子存儲器
通過選擇性地驅動4個單自旋翻轉躍遷來實現對雙量子比特29SiV系統的完全控制，實現了4個可能的受控非門(CNOT)：2個電子翻轉門MW1和MW2，2個核翻轉門RF1和RF2。測量了MW2門的保真度為99.9±0.1%，門時間為30.0 ns。為了解決驅動核旋轉的時間比電子失相時間長的問題，使用動態解耦序列增加電子相干時間，并將其與逐步的核旋轉交叉，實現一個解耦的RF1。最終結果表明，核相干時間隨n(去耦脈沖數)的變化而變化，測量到的最大核記憶時間為T2n=2.1±0.1s。
穩定的自旋光子糾纏
為了實現穩健的自旋光子糾纏，使用具有大殘余應變的SiV基態分裂，極大地抑制了熱退相干過程的速率，實現了在1.5 K下操作而不會明顯降低糾纏態時間，電子自旋和時間量子位之間實現了高溫自旋光子糾纏門。為了進一步擴展自旋-光子界面的糾纏能力，引入了一個光子-原子核糾纏門，該門僅使用快速MW門直接使29Si核自旋與光子量子位糾纏，并允許工作溫度高達4.3 K，且實現了高保真度。
圖 高溫下的自旋光子糾纏
集成誤差檢測
由于電子自旋調節光子和原子核之間的界面，電子自旋翻轉可以作為一個集成的誤差見證來檢測門錯誤。類似于糾錯協議中的標記量子位，通過測量電子自旋量子位的狀態，可以以一些門故障概率為代價來減少PHONE門錯誤。結果表明誤差監測使得系統保真度增加2%，錯誤檢測率為8.4%。通過集成組件實現了在4.3 K下具有錯誤檢測的PHONE門，并使用回波序列將自旋-光子糾纏態存儲在核自旋存儲器中，存儲時間高達2.5 ms。
圖 集成誤差檢測的自旋光子糾纏
展望
總之，本工作為實現量子網絡和探索其應用開辟了新途徑。對額外的存儲器量子位的訪問直接實現了改進的存儲器增強的量子密鑰分配，相位讀出協議促進了糾纏嘗試之間的電子復位，同時信息被存儲在核上。本工作的研究方法還可部署可擴展的基于SiV的量子中繼器網絡，證實了在納米光子腔中有相當數量的高應變器件可以在高溫下工作的可能性。除了實現多節點量子網絡協議之外，這些系統還可以生成復雜的光子樹簇態，從而實現穩健的單向長距離量子通信。
參考文獻：
DORIAN GANGLOFF. An optical interface for quantum networks. Science, 2022, 378(6619):
473-474.
DOI: 10.1126/science.ade6964.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6964
P.-J. STAS, et al. Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection. Science, 2022, 378(6619): 557-560
DOI: 10.1126/science.add9771.
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