宾夕法尼亚大学劳伦·萨利格 通过在一块钻石中发现某种缺陷，并在其上表面形成纳米级柱状物的图案，研究人员可以控制缺陷发射的单个光子的形状
因为这些光子携带了关于电子自旋状态的信息，这样的系统可以作为紧凑型量子技术的基础
信用:安·西斯摩尔·布莱文 在化学层面上，钻石只不过是排列成精确的三维晶格的碳原子
然而，即使是一颗看似完美的钻石也有缺陷:晶格中缺失一个碳原子或被其他东西取代的斑点
其中一些缺陷是非常可取的；它们捕获可以吸收或发射光的单个电子，从而产生钻石宝石中的各种颜色，更重要的是，为先进计算、安全通信和精密传感等各种量子技术创造了一个平台
量子技术基于被称为“量子位”的量子信息单元
“电子的自旋是充当量子位的主要候选对象；与二进制计算系统不同，在二进制计算系统中，数据仅采用0或1的形式，电子自旋可以在量子叠加中同时将信息表示为0、1或两者
来自钻石的量子比特对量子科学家特别感兴趣，因为它们的量子力学性质，包括叠加，存在于室温下，不像许多其他潜在的量子资源
然而，从晶体深处的单个原子收集信息的实际挑战是令人生畏的
佩恩工程师在最近的一项研究中解决了这个问题，他们设计了一种在钻石表面制作图案的方法，这种方法更容易从内部缺陷处收集光线
这种被称为金属的表面结构包含纳米尺度的特征，这些特征弯曲并聚焦缺陷发出的光，尽管它实际上是平的
该研究由李·巴塞特领导，他是电气与系统工程系的助理教授，研究生黄子勇和巴塞特实验室的博士后研究员理查德·格罗特
巴塞特实验室的其他成员大卫·霍普、安娜玛丽·埃克斯霍斯和加勒特·凯恩对这项工作做出了贡献，辛格纳米技术中心的业务开发主任杰拉尔德·洛佩兹以及阿姆斯特丹纳米光子中心的两名成员桑德·曼和埃里克·加内特也做出了贡献
这项研究发表在《自然通讯》上
利用量子系统潜在能力的关键是能够创造或找到允许电子自旋被可靠操纵和测量的结构，考虑到量子态的脆弱性，这是一项困难的任务
研究人员的金属由许多小纳米柱组成，近似于菲涅耳透镜的效果，将光从金刚石氮空位中心导入光纤，消除了对大型显微镜的需求
信用:自然交流 巴塞特的实验室从多个方向应对这一挑战
最近，该实验室开发了一种基于二维(二维)材料六方氮化硼的量子平台，由于其极薄的尺寸，可以更容易地获得电子自旋
在目前的研究中，研究小组回到了一种含有天然缺陷的三维材料上，这种材料具有控制电子自旋的巨大潜力:钻石
众所周知，钻石中被称为氮空位中心的小缺陷含有可以在室温下操纵的电子自旋，这与许多其他要求温度接近绝对零度的量子系统不同
每个NV中心发出的光提供了关于自旋量子态的信息
巴塞特解释了为什么在量子技术中考虑二维和三维途径很重要: “不同的材料平台处于不同的开发阶段，它们最终将适用于不同的应用
巴塞特说:“二维材料中的缺陷非常适合表面上的近程传感，它们最终可能有利于其他应用，比如集成量子光子器件。”
“然而，现在钻石NV中心是室温量子信息处理的最佳平台
它也是构建大规模量子通信网络的领先候选
" 到目前为止，使用深嵌在大块三维金刚石晶体中的纳米晶体，只可能获得这些苛刻应用所需的理想量子特性的组合
不幸的是，这些深深嵌入的NV中心可能很难访问，因为它们不在钻石的表面
在高度受控的实验室环境中，从那些难以触及的缺陷收集光线通常需要庞大的光学显微镜
巴塞特的团队希望找到一种更好的方法来收集来自NV中心的光线，他们通过设计一种特殊的金属来避免对大型昂贵显微镜的需求，从而实现了这个目标
巴塞特说:“我们使用亚表面的概念来设计和制造钻石表面的结构，它就像一个透镜，从钻石中的单个量子位收集光子，并将它们导入光纤，而以前这需要一个大的自由空间光学显微镜。”
“这是我们实现紧凑量子器件的更大努力的第一个关键步骤，这种器件不需要一屋子的电子器件和自由空间光学元件
" 黄子勇、李·巴塞特和大卫·霍普在巴塞特的量子工程实验室工作
学分:宾夕法尼亚大学 亚表面由复杂的纳米级图案组成，这些图案可以实现宏观尺度上不可能实现的物理现象
研究人员的金属由一组柱子组成，每根1微米高，直径100-250纳米，排列方式使它们像传统的曲面透镜一样聚焦光线
这些金属被蚀刻在钻石表面，并与钻石内部的一个NV中心对齐，将代表电子自旋状态的光直接导入光纤，简化了数据收集过程
“实际的金属直径约为30微米，相当于一根头发的直径
如果你看一下我们在上面制造的那块钻石，你就看不见它了
黄说:“你最多只能看到一个暗斑。”
“我们通常认为透镜是聚焦或准直的，但是，有了元结构，我们可以自由设计任何我们想要的轮廓
它为我们提供了定制发射模式或量子发射器轮廓的自由，就像NV中心一样，这在自由空间光学中是不可能的，或者非常困难
" 为了设计他们的金属，巴塞特、黄和格罗特不得不组建一个拥有从量子力学到电子工程到纳米技术等多种知识的团队
巴塞特认为辛格纳米技术中心在他们物理构建金属的能力中扮演了关键角色
“纳米制造是这个项目的关键组成部分，”巴塞特说
“我们需要实现高分辨率光刻和精确蚀刻，以制造长度小于光波长的金刚石纳米柱阵列
钻石是一种极具挑战性的加工材料，正是理查德在辛格中心的专注工作使其具备了这种能力
我们也很幸运地受益于经验丰富的洁净室工作人员
杰拉尔德帮助我们发展了电子束光刻技术
我们还得到了辛格中心薄膜区域经理梅雷迪思·梅兹勒的帮助，来开发钻石蚀刻
" 虽然纳米制造伴随着挑战，但是亚表面工程提供的灵活性为量子技术的实际应用提供了重要的优势: “我们决定将来自NV中心的光准直到光纤，因为它很容易与过去十年为紧凑型光纤技术开发的其他技术接口，”黄说
“与其他光子结构的兼容性也很重要
你可能想在钻石上加上其他的结构，我们的金属并不排除其他的光学增强
" 这项研究只是将量子技术压缩成更高效系统的众多步骤之一
巴塞特的实验室计划继续探索如何最好地利用二维和三维材料的量子潜力
巴塞特说:“量子工程领域正在迅速发展，这在很大程度上是由于包括物理、材料科学、光子学和电子学在内的许多学科的思想和专业知识的融合。”
“宾大工程在所有这些领域都很出色，所以我们期待着未来有更多的进步
最终，我们希望将这项技术从实验室转移到现实世界，在那里它可以对我们的日常生活产生影响
"
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