就像电路使用元件来控制电子信号一样，量子网络依靠特殊元件和节点在不同点之间传输量子信息，构成了构建量子系统的基础。在量子网络中，钻石中的色心(即故意添加到钻石晶体中的缺陷)对于在长距离上产生和维持稳定的量子态至关重要。

当受到外部光刺激时，钻石中的这些色心会发射光子，携带有关其内部电子态(尤其是自旋态)的信息。发射的光子与色心的自旋态之间的相互作用使得量子信息能够在量子网络中的不同节点之间传输。

钻石色心的一个著名例子是氮空位 (NV) 中心，其中氮原子被添加到钻石晶格中缺​​失的碳原子附近。然而，从 NV 色心发射的光子没有明确定义的频率，并且会受到与周围环境相互作用的影响，因此很难维持稳定的量子系统。

为了解决这个问题，包括东京工业大学副教授岩崎隆之在内的一个国际研究小组在钻石中开发出了一个带负电的铅空位 (PbV) 中心，其中铅原子插入钻石晶体中相邻空位之间。在 2024 年 2 月 15 日发表在《物理评论快报》 杂志上的研究中，研究人员发现 PbV 中心发射特定频率的光子不受晶体振动能量的影响。这些特性使光子成为大规模量子网络可靠的量子信息载体。

对于稳定和相干的量子态，发射的光子必须是变换受限的，这意味着它的频率应具有最小可能的扩散。此外，它应该发射到零声子线 (ZPL)，这意味着与光子发射相关的能量仅用于改变量子系统的电子配置，而不是与晶格中的振动晶格模式 (声子) 交换。

为了制造 PbV 中心，研究人员通过离子注入将铅离子引入金刚石表面之下。然后进行退火工艺以修复铅离子注入造成的任何损坏。由此产生的 PbV 中心呈现自旋 1/2 系统，具有四个不同的能态，基态和激发态分为两个能级。在光激发 PbV 中心时，能级之间的电子跃迁产生了四个不同的 ZPL，研究人员根据相关跃迁的能量递减将其分为 A、B、C 和 D。其中，发现 C 跃迁的变换极限线宽为 36 MHz。

“我们研究了共振激发下单个 PbV 中心的光学特性，并证明 C 跃迁(ZPL 之一)在 6.2 K 时达到接近变换极限，而没有明显的声子诱导弛豫和光谱扩散，”Iwasaki 博士说。

PbV 中心的突出之处在于，它能够在高达 16 K 的温度下将其线宽保持在变换极限的大约 1.2 倍。这对于在双光子干涉中实现约 80% 的可见度非常重要。相比之下，SiV、GeV 和 SnV 等色心在类似条件下需要冷却到低得多的温度(4 K 至 6 K)。通过在相对较高的温度下产生定义明确的光子，PbV 中心可以充当有效的量子光物质界面，使量子信息能够通过光纤由光子长距离传输。

“这些结果可以为 PbV 中心成为构建大规模量子网络的基石铺平道路，”Iwasaki 博士总结道。