化学级方块不比碳原子精确分立三维晶体板即使是看似完美无缺的钻石都含有缺陷:薄板中缺碳原子或替换为别物的点其中一些缺陷是极宜之计捕捉个体电子可吸收或发布光线,引起钻石宝石中发现的各种颜色,更重要的是,为高级计算、安全通信和精度感知等各种量子技术搭建平台
量子技术基于量子信息单元称quits不同于二进制计算系统,即数据形式为0或1s,电子旋转可同时表示信息0、1或量子叠加方块精度令量子科学家特别感兴趣 因为他们量子机特性 包括叠加性能 存在于室温下 不同于许多其他潜在量子资源
实战挑战从晶体深处单原子收集信息是一个艰巨挑战Penn Engineers在最近的研究中处理了这个问题,研究中设计出一种模式化钻石表面的方法,使从内部缺陷收集光更容易称它为元件表层结构内含纳米级特征,弯曲并聚焦缺陷释放光线,尽管它有效平面
研究由电气系统工程系助理教授Lee Bassett、研究生Tzu-Yung黄和Bassett实验室博士后研究员Richard Grote牵头
+Bassett实验室成员David Hopper、AnnemarieExarhos和Garrett Kai
研究发布自然通信.
控制量子系统潜在功率的密钥是能够创建或查找结构,允许电子旋转可靠操作和测量,这是一项困难任务,考虑到量子状态的脆弱性。
巴塞特实验室从多个方向应对挑战最近实验开发量子平台 基础二维2D材料称六角原亚硝化在当前研究中 团队返回三维素材 内含自然缺陷 极有可能控制电子旋转
微小缺陷钻石称氮空置中心,已知存放电子旋转,可在室温下操作,不同于许多其他量子系统要求温度接近绝对零NV中心发布光提供旋转量子状态信息
Bassett解释为何在量子技术中考虑二维和三维途径很重要:
不同的素材平台处于不同的开发阶段,二维素材缺陷最适于表面近距离感测, 最终可能优待其他应用,现时钻石NV中心只是室温量信息处理的最佳平台也是建设大规模量子通信网络的主要候选者
迄今,只有利用嵌入大体3D晶晶体内NV中心实现这些高要求应用所需理想量子属性组合才有可能实现
可惜那些嵌入式NV中心难以访问,从难以接触缺陷收集光通常需要在高度受控实验室环境内大片光显微镜巴塞特团队想找到更好的方法从NV中心收集光线,通过设计专用元件避免大型高价显微镜需求实现这个目标
Bassett表示:「我们用元表概念设计并构造钻石表面结构, 仿佛透镜从单二次钻头收集光子并引导光素编入光纤,第一步实现压缩量设备 不需要装满电子和自由空间光学组件
元表层由复杂纳米范式组成,在宏尺度上可实现否则不可能实现的物理现象研究者金属由柱子组成,直径各一米高和100-250纳米,排列方式令光像传统曲线透镜一样聚焦光线嵌入钻石表面并和内置NV中心对齐,Megnens引导光线代表电子旋转状态直接成光纤,精简数据收集过程
实际元约30微米横跨, 约直径一毛看一看我们编造的钻石 你看不到黄飞鸿表示,通常视镜聚焦或整理, 但是,有了元结构,我们有自由设计任何类型我们想要的剖面图允许我们自由裁剪发射模式或量子发射剖面像NV中心那样使用自由空间光学是不可能的或非常困难的。”
设计元件,Bassett、黄和Grote组成团队,从量子力学到电气工程到纳米技术等各种知识Bassett称Singh纳米技术中心在物理构造元件能力方面发挥着关键作用
anofcrication是项目关键成份 Bassett表示高清晰度平面并精刻图 以小于光波长度构建数组金刚石钻石是一个挑战性材料处理, 理查专注Singh中心幸运地从经验丰富的打扫室员工中得益Gerald帮助开发电子波束平面技术Meredith MetzlerSingh中心Thin电影区管理员帮助开发钻井
超表层工程提供的灵活性为实战量子技术应用提供重要优势
黄市表示:「我们决定从NV中心对光去光纤, 因为它很容易连接过去十年中为紧凑光学技术开发的其他技术,相容性结构也很重要可能还有其他结构你想要戴钻石, 和我们的元件并不排除那些 光学增强
本研究只是实现将量子技术压缩为效率更高的系统目标的许多步骤之一Bassett实验计划继续探索如何最佳利用2D3D材料的量子潜能
巴塞特表示:「量子工程领域快速发展在很大程度上是由于物理、材料科学、光学和电子学等多学科思想和知识集成Penn工程在所有这些方面都超能,归根结底,我们想将技术从实验室转入现实世界,从而能影响我们的日常生活。”
文件基础:技术+产品,学生程序,素材-高级
