量子物理学的第一个：用钻石操纵的电子轨道

虽然钻石中的缺陷大多是不合需要的，但某些缺陷是量子物理学家最好的朋友，有可能存储有朝一日可能在量子计算系统中使用的信息。

康奈尔大学的应用物理学家展示了一种技术，用于设计这些缺陷的一些关键光学特性，为探索量子力学提供了一种新工具。

由应用和工程物理学教授Greg Fuchs领导的一组研究人员已成为第一个使用谐振器产生的振动来帮助稳定这些光学特性的人，迫使钻石的电子进入激发的轨道状态。该研究在“物理评论快报”杂志上发表的论文“使用机械谐振器的钻石氮空置中心的轨道状态操纵”中有详细描述。

就像计算机的晶体管通过“开”或“关”来记录二进制信息一样，这些原子级钻石缺陷的内部状态也可以代表信息的一些部分，例如它的旋转 - 角动量的内在形式 - 是“向上“或”下降。“但与仅具有两种状态的晶体管不同，自旋具有同时上下的量子能力。结合使用，这些量子态可以比晶体管以指数方式更好地记录和共享信息，从而允许计算机以一次难以想象的速度执行某些计算。

挑战：将量子信息从一个地方转移到另一个地方很困难。物理学家已经尝试了许多材料和技术，包括在称为氮空位中心的钻石的原子缺陷内使用光学特性。

“钻石氮空位中心可以擅长的一点就是沟通。所以你可以有一个电子自旋，这是一个很好的量子态，然后你可以将它的状态转换成光子，“Fuchs说，他补充说光子可以把那一点信息带到另一个缺陷。“这样做的挑战之一就是稳定它并让它按照你想要的方式工作。我们提供了一个新的工程工具箱，用于光学过渡，希望能够让它变得更好。“

研究团队首先需要设计一种可以通过钻石缺陷发送振动波的设备。千兆频率机械谐振器由单晶金刚石制成，然后以约1千兆赫兹振动的声波通过缺陷发送。

目标是使用声音来改变缺陷的光学跃迁，其中从一种能态到另一种能态的变化导致光子的发射。这些转变倾向于基于各种环境条件而波动，使得难以产生用于携带信息的相干光子。

举例来说，随机波动的电场会使光学过渡波长不稳定，负责这项研究的博士生Huiyao Chen表示。

“为了抑制这些非相干波动的影响，”陈说，“我们能做的一件事是消除电子轨道和不需要的随机电场之间的耦合。这就是谐振器产生的声波发挥作用的地方。“

为了了解实验是否有效，研究小组使用带可调波长激光的显微镜扫描钻石的氮空位中心。当激光的波长与光学跃迁共振时，可以看到发射的光子，这是电子已经达到激发态的确定指示。然后研究人员研究了声波如何改变轨道状态，从而改变光学过渡。