缺陷金刚石：绝佳量子接口

金刚石中存在一类缺陷，即其中碳被氮或者其他元素的原子取代的缺陷。这类缺陷将有望提供近乎完美的量子计算接口。量子计算是一种被寄予厚望的通信交换方式，比目前所用的通信方法速度更快、更安全。

但仍然有一个主要的问题：这种被称为金刚石氮空位中心的缺陷是由磁场控制的，与现有的量子设备不兼容。想象一下，要想将一台1974年开发的早期个人电脑Altair连接到WiFi，将是一项非常困难、但并非不可能完成的任务；这两种技术并不互通，所以第一步是需要一种转换方式。

图1 通过结合本文中的纠缠发射与之前在金刚石中实现的量子隐形传态，研究人员将能在远程位置之间产生量子纠缠

横滨国立大学的研究人员们开发了一种接口方法，能够控制金刚石氮空位中心，使其能直接移植到量子器件上。研究成果发表于12月15日的Communications Physics上。

“量子接口是实现量子网络所必需的，是实现量子通讯中远程量子纠缠光子的关键。”通讯作者Hideo Kosaka说，他是横滨国立大学高等科学研究所量子信息研究中心和工程研究生院物理系的教授。

被寄予厚望的量子网络建立在一个多世纪的研究成果之上——研究人员认为光既是粒子，同时又是波；其波态可以揭示其粒子态信息，反之亦然。更重要的是光的两种态会相互影响，光的本质是相互纠缠的，即使在很远的距离之外仍然保有纠缠性。量子网络的最终目标是是控制纠缠，实现离散数据的实时、安全通信。

Kosaka说，此前已有研究证明，受控纠缠可以通过对氮空位中心施加磁场来实现。但量子网络的实现仍然需要非磁场的方法实现。

他的团队成功使用微波和偏振波，纠缠了一个出射光子和左自旋量子位（量子位是经典比特的量子等效）。这些偏振波垂直于源传播，就如同地震波从垂直断层移位处水平向外辐射。在量子力学中，光子的自旋性质（左旋或右旋）决定了偏振运动的方式，这意味着它是可预测和可控的。关键的是，Kosaka认为，当在无磁场条件下通过这种性质诱导纠缠时，这一相互作用关系似乎不受其他变量的影响。

Kosaka说:“借助偏振的几何性质，我们成功生成了对噪声和时间误差有一定免疫性的远程量子纠缠。”Kosaka说，他的团队将把这种方法与先前通过隐形传态进行的量子信息传输相结合，产生量子纠缠，并在远程位置之间进行信息交换。Kosaka说，最终的目标是建立一个量子计算机的互联网络，并实现量子网络。

Kosaka 说：“量子网络的实现，将能把量子密码学、分布式量子计算和量子传感技术的应用带到千里之外。”

文章见：Geometric entanglement of a photon and spin qubits in diamond, Communications Physics (2021). DOI: 10.1038/s42005-021-00767-1。