科学家近日展示了一种利用红外光读取量子比特（qubit）信息的新方法。来自布达佩斯大学的B. Göblyös团队，联合德国杜伊斯堡-埃森大学以及美国圣母大学的研究人员，首次利用金刚石中氮空位（NV）中心此前尚未被充分利用的红外发射，实现了光学检测磁共振（ODMR）。这一过程建立了一条高保真度的光学读出路径，可将金刚石自旋量子比特与1300-1600nm波段的标准光通信基础设施直接连接，有望突破当前频率转换技术的限制，为更高效的量子通信网络提供新方案。

       红外ODMR实现对金刚石NV中心自旋态的识别

       在这项研究中，光学检测磁共振（ODMR）是核心技术。该方法通过对材料施加光照与磁场，并监测发射光变化，从而读取其量子态信息。其原理是利用NV中心电子自旋与外加磁场之间的相互作用，使能级发生偏移，并进一步改变发射光强度。

       研究团队在传统ODMR基础上进行了改进，将重点放在金刚石NV中心发出的红外光上。NV中心是金刚石晶格中的一种缺陷结构，由氮原子替代碳原子并伴随邻近空位形成，具有类似“人工原子”的量子特性。通过分析磁场作用下红外信号的变化，研究人员成功辨别出NV中心的自旋状态，实现了量子信息的“读取”。

       实验中使用的是含约百万分之一浓度NV中心的单晶金刚石样品。这些NV中心通过中子辐照与后续退火工艺形成：中子辐照会在金刚石晶格中引入空位，而退火则促使氮杂质扩散至这些空位中，最终形成NV中心。

       研究特别关注了1042nm波长的红外发射信号，而非传统实验主要依赖的可见荧光。由于1300-1600nm波段正是标准光纤通信的低损耗传输窗口，因此这一方案可更直接地对接现有光通信网络。1042nm信号的重要性在于，它来源于NV中心光学循环中的单重态能级体系，这一路径过去通常被视为“暗态”，因为其缺乏明显的可见荧光。

       红外光学读出实现高保真自旋信息转录

       此次突破意味着，自旋态信息的读取不再局限于可见光范围，而是扩展至1300-1600nm红外波段。这为金刚石自旋量子比特与现有光纤网络之间建立了直接接口，无需依赖主动频率转换技术。

       传统频率转换通常需要非线性光学晶体，会带来额外损耗与系统复杂性，从而限制量子通信效率。而此次研究表明，NV中心能够通过“自旋选择性系间窜越”机制，将自旋信息直接转录到红外发射中。所谓系间窜越，是NV中心内部单重态与三重态之间的跃迁过程，其对电子自旋状态高度敏感。

       研究人员还观察到ODMR信号随磁场变化而产生的光谱色散特征，进一步证明了自旋信息已被编码进1042nm红外信号之中。这一结果也建立在此前关于1046nm零声子线（Zero-phonon line）的研究基础上。零声子线代表电子能级之间不伴随晶格振动的直接跃迁，因此具有尖锐光谱特征，有利于高精度测量。

       不过，研究团队也指出，虽然该方法已经证明能够实现高保真光学读出，但在实际应用中仍面临挑战，包括红外信号强度较弱，以及在红外波段维持量子相干性的难题。量子相干性对于量子信息处理至关重要，因此后续仍需进一步优化，例如增强红外发射强度、提升NV中心自旋态稳定性等。

       为基于金刚石的量子通信打开新路径

       研究人员认为，这项成果为构建实用化量子网络提供了关键基础。当前，不同波长之间的量子信号转换效率较低，并会造成数据损失，而该研究则绕开了这一问题，实现了红外波段中的直接量子信息读取。

       由于1300-1600nm波段与现有光纤通信系统高度兼容，因此金刚石量子系统未来有望直接接入现有通信网络，降低量子互联网建设成本与复杂度，并加快其产业化进程。

       研究结果证明，通过1042nm红外发射，NV中心中的自旋信息可以被高保真地转移至红外信号中。这意味着未来量子信息可在长距离光纤网络中传输，同时减少传统频率转换带来的损耗问题，为远距离量子通信提供了一种潜在解决方案。

       团队最后表示，后续仍需进一步提升红外信号检测灵敏度，并解决信号较弱的问题，但该研究已经成功展示了金刚石NV中心红外量子读出的可行性，为量子通信技术发展提供了新的方向。