新的量子存儲器可存儲信息達數小時

氮空位：在晶格中的某些位置，缺少一個碳原子(白色)，在相鄰位置有一個氮原子(黃色)。圖片來自：維也納科技大學

將信息存儲在量子存儲系統中是一項艱巨的挑戰，因為數據通常很快就會丟失。現在維也納大學，已經實現了利用鑽石存儲信息，且信息存儲時間可達數小時。

利用量子粒存儲和操縱信息。這是許多非常有前途的技術的基礎，例如具備高靈敏度的量子感測器、量子通信甚至量子計算機。然而，這種方法存在一個重大問題：很難將信息長時間存儲在量子物理系統中。由於量子粒子很容易與環境產生相互作用，量子信息往往會在幾分之一秒內消散。

在維也納科技大學，現在可以使用特殊的鑽石一次儲存數小時的量子信息。這使得量子信息比存儲在我們計算機工作存儲器中的傳統信息更加穩定。這項研究的結果現已發表在《自然材料》雜誌上。

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有缺陷的鑽石

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維也納科技大學正在使用一種特殊的量子系統，它引起了全世界的極大興趣。維也納科技大學原子與亞原子物理研究所研究組負責人Johannes Majer說：「我們正在使用鑽石產生量子比特，這種鑽石內部被我們人為製造了一些氮空位。」通常，鑽石僅由碳原子組成。通過照射鑽石，可以在鑽石結構中引入氮原子代替某些點處的碳原子，然後在其旁邊的晶格中留下未佔據的點。這種「晶格缺陷」被稱為氮-空位中心。氮原子和空位可以呈現不同的狀態，因此該晶格缺陷位點可以用來存儲信息量子比特。

中間含有鑽石的微波諧振器。由於晶格缺陷，鑽石是黑色的。圖片來自：維也納科技大學

這些信息能保持穩定多長時間是一個關鍵問題。該出版物的主要作者托馬斯·阿斯特納(Thomas Astner)解釋說：「量子比特通常會失去能量的時間尺度和存儲信息的時間尺度從技術層面上來說是這種量子比特的最重要的特徵之一。精確理解能量損失的原因和這一過程的速度至關重要。」

這是第一次，維也納科技大學原子和亞原子物理研究所的科學家們現在已經能夠通過實驗確定鑽石中量子信息消失的的特徵周期。鑽石與微波耦合，從而可以寫入和讀取量子信息。用於此目的的特殊微波諧振器是由維也納科技大學的Andreas Angerer在2016年開發的。它可以用來精確確定鑽石中仍然存儲多少能量。

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記錄時間

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測量需要在超低溫環境下進行，大約在絕對零度以上20毫開爾文溫度左右。熱量會擾亂系統環境並使量子信息消失。很明顯，鑽石可以在幾個小時內儲存他們的信息，比想像的要長得多。 「普通計算機內存的D-RAM晶元中的信息非常不穩定，能量在幾百毫秒內就會丟失，這意味著必須再次更新信息。」Johannes Majer說。

並非所有有缺陷的鑽石都提供相同的儲存期。保持該記錄的是與日本筑波大學的Junichi Isoya合作的工作組製造的特殊鑽石。它被電子照射數月，以儘可能多地產生氮-空位中心缺陷而不引入任何其他有害影響。這顆鑽石被測量出有8小時的量子儲存期。

Johannes Majer說：「最初我們很難相信這些奇妙的結果，」 因此使用計算機模擬徹底調查了這種現象。Johannes Gugler和Peter Mohn教授(同在維也納科技大學)進行了複雜的計算，才得出這樣的解釋，即鑽石量子儲存非凡的穩定性是由於特別堅硬的鑽石晶格造成的。Thomas Astner說：「而其他材料顯示的晶格振動可能會迅速導致存儲信息的丟失，而量子信息與晶格振動的耦合在鑽石中非常脆弱，能量可以儲存數小時。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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