哈佛大学研究团队实现了一个基于金刚石纳米光子腔中硅-空位中心（SiVs）的双量子比特集成网络节点。利用SiV的电子自旋与作为存储量子比特的硅-29核自旋间的强耦合，实现了寿命超过2秒的量子存储器，并实现了温度高达1.5 K的电子-光子纠缠门和高达4.3 K的核-光子纠缠门。他们还通过使用电子自旋作为标志量子比特，展示了在核自旋光子门中有效的错误检测，使该平台成为可扩展量子中继器的一个潜在的候选者。该成果于11月3日发表在《科学》杂志上。
使用光子和物质的量子特性来传输数据的通信网络从根本上比传统网络更安全。这种量子网络的物理实现需要特殊的设备，可以将存储的信息转换为量子载体，类似于普通计算机将硬盘驱动器上的比特转换为光纤信号的方式。为了实现这种转换，该设备必须能够在静止的量子比特和用于数据传输的光子之间产生量子纠缠。一旦建立纠缠，纠缠的光子和量子比特就可以用来执行各种任务，例如生成和发送加密密钥。量子网络节点是产生和存储纠缠的地方，该节点必须有一个有效的接口来在光子和物质之间进行转换。它必须保持对物质量子比特的高度控制；它必须能够将物质量子比特中的信息转换到存储量子比特中。出于实际原因，此种设备还应该能够在接近室温的情况下运行，而不是使用超导元件的系统通常需要的极低温度。为了实际应用，光子和物质量子比特之间的纠缠也必须能够大规模产生，并且设备必须能够保持物质量子比特的稳定性足够长的时间，以便光子量子比特在节点之间传输。满足所有这些需求的全功能节点尚不存在，但已有几个系统取得了不同程度的成功。这些设计包括使用悬浮在真空中的原子、半导体纳米结构（例如量子点）和第四代半导体材料（如金刚石）中的缺陷中心。基于金刚石缺陷中心的成就清单很长，其中包括金刚石缺陷中心与光子学和电子学的集成，它们能够以大型阵列的形式创建和排列。
哈佛大学研究团队使用一种特定的同位素，硅-29（29Si），嵌入到金刚石缺陷空位上。29Si中的顺磁性核（与硅中含量最丰富的非磁性硅-28相比）有助于将存储时间延长4000倍，最高可达2.1秒。由于硅核的自旋和电子的自旋之间的耦合，作为光接口的金刚石纳米结构的光学性质取决于核自旋的状态。这种涉及光子、硅核及其电子的依赖链，以及金刚石纳米结构的光学性质，使该系统成为产生自旋光子纠缠和长寿命存储的有效装置。一旦建立了纠缠，光子就可以发出并用于量子通信。光子和硅核之间的纠缠可以保持2.5ms，并允许光子在失去纠缠之前通过约500公里。为了进一步提升自旋光子纠缠的产生速率和保真度，研究团队利用快速微波门控直接产生核自旋与光子间的纠缠。在这个过程中，电子自旋为系统提供了额外的好处。在理想的光子-核纠缠门中，这个电子量子比特的逻辑状态应该保持不变。如果它的状态改变，这将意味着数据传输出现了问题。因此，电子量子比特可以被用作一种错误检测方案。实验结果表明，由于能够监测错误，纠缠态的有效寿命从1.5ms延长到了报道的2.5ms。
此外，研究团队用光谱学研究了九个硅空位中心，找出了应变最大的两个，也就是硅原子周围的纳米结构应力最大的地方，并创建了一个在4.3K下工作的量子节点。硅空位周围更大的应变可能会进一步降低自旋量子比特的温度敏感度，并进一步延长存储寿命。尽管仍然是极低的工作温度，但4.3K的温度越过了4.2K液氦的沸点这一界限，这意味着循环液氦制冷系统可以用来操作这个装置，将大幅降低系统成本。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9771
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