新量子存儲器存儲數小時的信息

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】在量子存儲系統中存儲信息是一個困難的挑戰，因為數據通常很快就會丟失。在TU Wien超長存儲時間現在已經用小鑽石實現了。利用量子粒子，信息可以被儲存和操縱——這是許多非常有前途的技術的基礎，比如極其敏感的量子感測器，量子通信，甚至是量子計算機。然而有一個重要的問題:在長期的量子物理系統中存儲信息是很困難的。由於與環境的相互作用，量子信息往往在一秒鐘內消散。在TU Wien，現在可以用特殊的鑽石來存儲數小時的量子信息。這使得量子信息比存儲在我們計算機工作記憶中的常規信息更加穩定。這項研究的結果已經發表在《自然材料》雜誌上。

在晶格中的某些位置，一個碳原子(白色)不見了，在鄰近的位置有一個氮原子(黃色)。圖片版權：Vienna University of Technology

鑽石與缺陷

一種特殊的量子系統正被應用於杜維恩，這在全世界引起了極大的興趣。「我們使用的是小瑕疵的小鑽石，」杜維恩原子和亞原子物理研究所的研究小組組長約翰內斯·馬傑說。通常金剛石是由碳原子組成的。通過輻照鑽石，可以將一個氮原子引入到鑽石結構中，取代碳原子在某些點上，然後在它旁邊的晶格中留下一個未被佔據的點。這種「晶格缺陷」被稱為NV-中心或氮空位中心。氮原子和空位點可以假設不同的狀態，所以這個晶格缺陷點可以用來存儲信息量子比特。決定性的問題是，這些信息保持多久是穩定的。

該出版物的主要作者托馬斯·阿斯特納解釋說：在時間尺度上，量子比特通常會失去能量，而存儲信息在技術上是這類量子比特的最重要特徵之一。因此準確地理解能源損耗的原因以及這一過程的速度是至關重要的。第一次在TU Wien的原子和亞原子物理研究所的科學家們已經能夠通過實驗確定鑽石錯誤失去量子信息的特徵周期。鑽石與微波耦合，這樣量子信息就可以被寫入和讀取。這個用途的特殊微波諧振器是在2016年由圖維恩的Andreas Angerer開發的。它可以用來精確地確定鑽石中儲存了多少能量。

記錄時間

這些測量是在非常低的溫度下進行的，剛好在絕對零度以上，在20毫克爾溫。熱量會干擾系統環境，並消除量子信息。很明顯，鑽石可以在幾個小時內儲存它們的信息，比人們認為的要長得多。普通計算機內存中的D-RAM晶元的信息不太穩定。在那裡能量在幾百毫秒內就消失了，這意味著信息必須被刷新。並非所有有缺陷的鑽石都提供相同的存儲期。這張唱片是由在日本筑波大學與Junichi Isoya合作的團隊製作的。在幾個月的時間內，它被電子輻射，產生儘可能多的N-V中心缺陷，而不引入任何其他有害影響。這顆鑽石可以測量8小時的量子存儲周期。

微波諧振器與鑽石在中間，由於晶格缺陷，鑽石是黑色的。圖片版權：Vienna University of Technology

一開始很難相信這些美妙的結果。因此這一現象被用計算機模擬進行了徹底的研究。Johannes Gugler和Peter Mohn教授(也在TU Wien)進行了複雜的計算，結果解釋了鑽石量子存儲的異常穩定性是由於特別堅硬的鑽石晶格造成的。「其他材料顯示晶格振動能迅速導致存儲信息的丟失，而量子信息與晶格振動的耦合非常微弱，能量可以儲存幾個小時。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Materials

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：維也納科技大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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