Vacancy aggregation enhances NV- spin coherence in diamond: a cluster-correlation-expansion study of multi-vacancy spin baths in semiconductors
与空位聚集会导致 NV⁻ 退相干的普遍观点相反，这项簇相关展开研究表明，将空位聚集成多空位复合物实际上将自旋相干时间延长了 2.7 到 4.4 倍（相比于孤立空位），因为由此产生的精细结构分裂和对称性诱导的频率失配抑制了自旋交换退相干机制。
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在构建量子计算机的过程中，科学家们一直在寻找隐藏在固体材料内部的微小且稳定的信息岛屿。其中一个最有希望的候选者是钻石中的氮-空位中心（nitrogen-vacancy center），这是一种特定的缺陷，即一个氮原子位于一个缺失的碳原子旁边。这种缺陷就像一个微型磁铁，可以保存被称为“自旋”的量子比特信息，并能保持相当长的时间。然而，这种信息是非常脆弱的。它很容易被相邻原子的“磁性低语”所扰乱，这一过程被称为退相干（decoherence）。为了保护信息安全，研究人员多年来一直试图清理钻石，去除任何可能引起麻烦的游离磁性邻居。领域内的一个普遍观点是，当钻石受热时，缺失的碳原子（即空位）倾向于聚集在一起形成更大的群体。传统观点认为，这些团簇是噪声的主要来源，因此，打破它们或防止它们形成是延长量子信息寿命的关键。
一项新研究通过仔细观察这些空位确实发生聚集时的情况，挑战了这一长期存在的假设。研究人员利用能够模拟数百万个原子磁相互作用的高级计算机模拟，调查了这些空位团簇如何影响量子比特的稳定性。他们发现，结果与预期完全相反：当空位聚合形成多空位复合物时，它们并没有更快地破坏量子信息；相反，它们保护了信息。研究表明，这些团簇创造了一个实际上比孤立单空位海洋更安静、更稳定的磁环境。这种保护的关键不在于磁场的强度，而在于其方向的多样性。当空位是孤立的时候，它们都以完全相同的频率振动，这使得它们能够轻易地交换磁状态并扰乱量子比特。当它们形成团簇时，钻石晶格的几何结构迫使这些群体指向不同的方向，导致它们以不同的频率振动。这种频率失配阻止了它们彼此之间的相互作用，从而有效地冻结了噪声，使量子比特能够存活得更久。
研究人员重点关注了在经过热处理后的钻石中发现的一种特定类型缺陷。在这些材料中，空位是移动的，它们四处游走直到相遇并粘在一起，形成由缺失原子组成的链或环。先前的实验表明，在空位团簇最常见的通过高温退火处理的钻石中，通常表现出更长的相干时间，但其原因被归功于排除了其他杂质。这项新工作则分离出了团簇本身的影响。通过模拟一个由这些多空位缺陷组成的“浴”（bath），并将其与相同密度的单空位缺陷“浴”进行比较，团队发现了一个显著的差异。模拟显示，与单空位浴相比，由这些团簇组成的浴能将量子比特的相干时间延长约 2.7 到 4.4 倍。这种提升在广泛的浓度范围内都成立，表明这种益处是团簇的一种基本属性，而非特定样本的偶然现象。
这种保护机制根植于这些磁性缺陷之间是如何“交流”的。对于两个磁自旋而言，要干扰一个量子比特，它们通常需要交换其磁状态，而这一过程只有在它们调谐到相同频率时才能高效发生。在由孤立空位组成的“浴”中，每个缺陷都是完全相同的，并且指向一个随机但等效的方向，这意味着它们都拥有相同的频率。它们经过完美调谐，可以互相交换状态，从而产生快速流动的噪声。相比之下，多空位团簇更为复杂。由于它们在钻石晶体中的排列方式，它们可以沿着几种不同的晶体方向指向。这种多样性意味着，一个指向某一方向的团簇，其振动频率会与指向另一方向的邻近团簇不同。它们在频率上是“失谐”的。这种频率失配阻止了它们交换状态，从而消解了原本会破坏量子信息的噪声。研究进一步表明，团簇内磁分裂的具体大小并不如其方向的多样性重要；正是方向的多样性提供了屏蔽。
这些发现也阐明了为什么之前的某些实验能产生如此长的相干时间。其中一个显著的量子相干记录是在一种通过电荷化空位来抑制空位团簇形成的钻石中实现的。新的分析表明，该实验的成功并非因为团簇是坏的，而是因为该过程很可能将空位从材料中完全移除了。如果这些空位只是作为孤立的带电缺陷而存在，而不是形成团簇，那么相干时间将会显著缩短。研究指出，最具破坏性的缺陷实际上是孤立的带负电空位，它们是极其高效的噪声源。当这些空位被允许聚集时，它们就转化为了一种危害较小的状态。研究还强调，在某些样本中，最持久的噪声来源并不是团簇本身，而是另一种缺乏这种保护性频率多样性的缺陷。
这项工作为改进基于钻石的量子传感器和量子计算机提供了清晰的路径。与其尝试阻止空位聚集（这是之前的策略），新的理解建议，只要控制好其他类型的噪声源，允许它们聚合是有益的。研究强调，磁性缺陷的总数并不是唯一的因素；缺陷的性质同样至关重要。通过理解这些空位团簇可以作为磁噪声的天然过滤器，科学家可以更好地设计材料。模拟证实，团簇提供的保护是稳健的，并且取决于钻石晶格的具体几何结构。虽然这项研究依赖于计算机模型而非新的物理测量，但这些模型是建立在关于这些缺陷行为的成熟数据之上的，且研究结果在通过这种新视角重新解读时，与现有的实验观察结果是一致的。结论是一个视角的转变：在充满噪声的钻石缺陷世界里，团簇不是敌人，而是盟友。
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