在钻石中对锡空位发色中心进行 SUPER 和飞秒自旋保留相干激发

与单个光原子交流的新方法

想象能够比眨眼快一万亿倍地切换位于钻石晶体中微小缺陷内的量子开关，并让它发射出单个、精确可控的光子。该研究展示了研究人员如何使用一种称为锡空位中心的特定缺陷做到这一点。他们的方法有望简化构建量子网络（用于安全发送量子信息的未来“互联网”）的难题：如何将控制激光与承载信息的微弱光子干净地分离。

为什么钻石里的微小瑕疵很重要

在几乎完美的钻石晶格中，锡空位中心是由一个锡原子和一个空位替代两个碳原子形成的位点。这种微小不完美行为类似于人工原子，可以将量子信息存储在电子自旋中并以单个光子的形式释放出来。锡空位中心尤其有吸引力，因为它们保持色心稳定并能在相对可及的温度下保存量子态相对较长的时间。这使得它们成为量子存储、单光子源以及最终实现远距离量子链路的有前景构件。

清洁量子光的挑战

为了产生有用的量子光，科学家必须用激光激发缺陷并收集它发射的光子。理想情况下，激光应把电子置于定义良好的激发态而不扰乱其量子信息，以便发射光子能与电子自旋发生纠缠。用与缺陷主光学跃迁完全共振的激光在理论上可行，但在实践中会带来严重问题：激发激光与发射的单光子颜色几乎相同。于是分离它们通常需要极化、时间选择或复杂光学结构等技巧，而这些技巧往往会丢弃大量珍贵的光子。

通过绕行频率来获得控制

作者采用一种称为 SUPER 的策略来解决该问题，该策略使用两束超快激光脉冲，其频率都比主跃迁略微红移。单独看时，每束脉冲都偏离太远而无法有效激发缺陷。但将它们按精心选择的频率、时长和强度配合使用时，可以协同作用以受控方式将电子“抬升”从基态带到激发态。由于这些脉冲的频率相差达数百十亿个周期每秒，简单的光谱滤波器即可阻挡激光光而允许发射光子通过。团队的实验表明，这种非共振方法可以相干地转移超过一半的粒子数——已足以实现一个量子门——而模拟显示稍微提高功率即可将保真度推向几乎完美的反转。

将量子门推进到飞秒时域

除了这种非共振控制外，研究者还探索了对主光学跃迁进行最快直接驱动的可能性。借助一种专门的“脉冲整形器”，他们制作出从皮秒到飞秒不等的激光脉冲——短到在一次脉冲期间光几乎无法走完一根头发的直径。用这些整形脉冲，他们观察到 Rabi 振荡，这是相干控制的标志，并演示了对应多次完全翻转光学量子比特的转动。关键是，他们验证了在这种超快控制后产生的光子确实是单光子，并估算出相干时间支持在激发态自然寿命内进行多次操作。

保持自旋完整并共享纠缠

对于量子网络来说，电子自旋与其发射的光同样重要。因此团队研究了在存在磁场时控制脉冲如何影响自旋态。详细模拟显示，原则上 SUPER 脉冲可以以很高的保真度将基态的一等幅叠加态转移到激发态，并保留微妙的相差信息。测量自旋占据在数十微秒尺度上弛豫的实验没有检测到由 SUPER 脉冲引入的额外混合，支持光学控制基本不扰动自旋量子比特的结论。基于此，作者提出了一种纠缠协议：同时用宽带脉冲激发两个远处的钻石缺陷，然后将它们发出的光子在分束器上合并。当两个探测器同时记录到光子时，两个远处缺陷的自旋就会处于纠缠态，准备好作为量子网络中的节点。

这对未来量子器件意味着什么

这些进展共同表明，有可能在超快时间尺度上控制锡空位中心的光学跃迁，同时保留自旋信息并干净地区分控制光与发射光子。SUPER 方案提供了一种实用的方法来生成高质量单光子而无需复杂的滤波系统，飞秒量子门则为在激发态短暂寿命内执行多次操作打开了大门，即便在强烈增强的光学腔中也是如此。随着这些技术被优化并扩展到其他固态发射体，它们可能成为可扩展量子中继、多比特纠缠协议和由微小工程化钻石缺陷构成的鲁棒量子传感器的关键组成部分。

引用: Torun, C.G., Gökçe, M., Bracht, T.K. et al. SUPER and femtosecond spin-conserving coherent excitation of a tin-vacancy color center in diamond. Nat Commun 17, 2154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69911-1

关键词: 锡空位中心, 钻石发色中心, 超快量子控制, 单光子源, 量子网络