就像电路如何使用组件来控制电子信号一样，量子网络依靠特殊的组件和节点在不同点之间传输量子信息，形成构建量子系统的基础。 就量子网络而言，钻石中的色心是有意添加到钻石晶体中的缺陷，对于长距离生成和维持稳定的量子态至关重要。
当受到外部光刺激时，钻石中的这些色心会发射光子，携带有关其内部电子态（尤其是自旋态）的信息。 发射的光子与色心的自旋态之间的相互作用使得量子信息能够在量子网络中的不同节点之间传输。
钻石色心的一个众所周知的例子是氮空位 (NV) 中心，其中氮Atom添加到钻石晶格中缺失的碳Atom附近。 然而，从 NV 色心发射的光子没有明确的频率，并且会受到与周围环境相互作用的影响，这使得维持稳定的量子系统具有挑战性。
为了解决这个问题，包括东京工业大学副教授 Takayuki Iwasaki 在内的一个国际研究小组开发了金刚石中的单个带负电的铅空位 (PbV) 中心，其中铅Atom插入到金刚石晶体中的相邻空位之间。 在 2024 年 2 月 15 日发表在《物理评测快报》杂志上的研究中，研究人员揭示了 PbV 中心发射不受晶体振动能量影响的特定频率的光子。 这些特性使光子成为大规模量子网络中量子信息的可靠载体。
对于稳定且相干的量子态，发射的光子必须受到变换限制，这意味着它的频率范围应尽可能小。 此外，它应该发射到零声子线（ZPL），这意味着与光子发射相关的能量仅用于改变量子系统的电子配置，而不是与振动晶格模式（声子）交易所在晶格中。
为了制造 PbV 中心，研究人员通过离子注入将铅离子引入金刚石表面下方。 然后进行退火工艺以修复由铅离子注入造成的任何损坏。 由此产生的 PbV 中心呈现出一个自旋 1/2 系统，具有四种不同的能态，基态和激发态分为两个能级。 在光激发 PbV 中心时，能级之间的电子跃迁产生了四种不同的 ZPL，研究人员根据相关跃迁的能量递减将其分类为 A、B、C 和 D。 其中，C 跃迁被发现具有 36 MHz 的变换限制线宽。
“我们研究了共振激发下单个 PbV 中心的光学特性，并证明 C 跃迁（ZPL 之一）在 6.2 K 时达到接近变换极限，而没有明显的声子诱导弛豫和光谱扩散，”Iwasaki 博士说。
PbV 中心的突出之处在于能够在高达 16 K 的温度下将其线宽保持在变换极限的约 1.2 倍。这对于在双光子干涉中实现约 80% 的可见度非常重要。 相比之下，在类似条件下，SiV、GeV 和 SnV 等色心需要冷却到低得多的温度（4 K 至 6 K）。 与其他色心相比，通过在相对较高的温度下产生明确的光子，PbV 中心可以充当有效的量子光-物质界面，从而使光子能够通过光纤长距离传输量子信息。
“这些结果可以为 PbV 中心成为构建大规模量子网络的基石铺平道路，”岩崎博士总结道。
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