在室溫下將量子信息保留超過一秒

量子記憶的材料是：一個國際物理學家團隊首次成功地在室溫下將量子位在鑽石中存儲了超過一秒鐘。研究人員沒有使用此處顯示的天然鑽石，但是也沒有切割。他們通過將包含百分之一的重碳同位素C-13的碳和少量來自氣相的氮沉積到基質上來人工生產鑽石。他們以這種方式獲得的鑽石的邊緣長度為幾毫米。

一組科學家在室溫下成功地將一個量子比特存儲在鑽石晶體中超過一秒，幾乎提高了近千倍，並且相信量子比特的壽命最多可以增加36小時。

完全防欺詐的信用卡和不能偽造的護照：量子物理學可以使這兩種方式成為可能。這可以通過以下事實來解釋：沒有專門的可能使用卡的授權用戶才能獲得附加信息，例如粒子的原子原子核的量子力學狀態既不能正確複製也不能正確讀出。因此，如果一張信用卡要包含一個量子內存，它將受到保護以防止濫用。儘管物理學家已經開發出了將量子態寫入不同類型的存儲器並再次讀出的方法，但問題是這些方法只能在絕對零值以上工作不包括常規使用的溫度-或僅在幾毫秒後丟失的存儲量子信息。波士頓附近的劍橋哈佛大學，加興的馬克斯·普朗克量子光學研究所和帕薩迪納的加州理工學院的研究人員現在已經成功地在室溫下將金剛石晶體中的量子態存儲了超過一秒鐘。研究人員甚至認為，如果他們改進他們的方法，則可以保存一個半天的時間。

量子存儲器使用常規計算機存儲器中信息的最小單位的更為複雜的版本，該位即所謂的量子位，簡稱qubit。儘管該位在任何時間點只能採取兩種可能狀態中的一種（其中一種狀態用「 0」指定，另一種狀態用「 1」表示），但是qubit實際上可以同時採用兩種狀態。它的信息內容分別包含權重「 0」和「 1」：量子位可以包含20％的「 0」和80％的「 1」。總計達到100％的任何比率都是可能的。這意味著許多值可以存儲在單個qubit中。

物理學家使用各種物理系統來存儲量子位，例如原子，這些原子位於與雞蛋紙盒中的雞蛋相似的交叉雷射束晶格中，或者位於固體中的原子核。將來，幾個量子位的量子存儲器可用於防偽數據存儲，因為所謂的量子物理學無克隆定理禁止複製量子態。另外，只有在知道了已寫入存儲器的參數（例如光信號的偏振方向）的情況下，才可以讀出內容。

量子存儲器必須與環境隔離，但不能完全隔離

幾乎無法克服的障礙阻礙了其實際實施。量子存儲器必須滿足兩個相互矛盾的標準：一方面，它必須與環境儘可能隔離，以使所存儲的量子位不會被外部磁場，光粒子或類似的環境影響所破壞。另一方面，它必須能夠在相同的環境下交換信息。否則將無法將信息寫入存儲器並再次讀出。因此，量子位的完全隔離不能達到目的。

來自哈佛大學，馬克斯·普朗克量子光學研究所和加州理工學院的國際研究人員小組現已成功地調和了相互矛盾的因素，以至於即使在室溫下，人造金剛石晶體中的量子位也可以保持超過一秒的穩定性。 。以前，這種類型的qubit僅保留了千分之一秒。「我們通過相對較少的實驗工作就實現了近千倍的改進，」位於Garching的Max Planck量子光學研究所的David Hunger說。科學家本質上需要綠色雷射，用於微波和射頻的快速切換光源以及能夠檢測單個光粒子的高靈敏度檢測器。

對於量子比特，研究人員使用了一個碳原子的核，或更確切地說，使用了C-13碳同位素。它的核具有所謂的核自旋，會產生磁矩。因此，C-13核的行為就像一個微小的條形磁鐵，可以使其自身與外部施加的磁場平行或反平行。這兩個狀態形成量子位的「 0」和「 1」。

通過氮空位中心寫入和讀出C-13量子位

這個量子位與周圍環境之間的信息交換是間接進行的：研究人員以這種方式生長鑽石，使鑽石中除了微量的C-13同位素外還含有少量氮，因此一些氮原子位於碳原子附近。 C-13原子。而且，在氮原子的直接附近缺少一個碳原子。因此，物理學家稱其為氮空位中心，或簡稱為NV中心。NV中心也有自旋，因此形成一個量子比特。藉助微波和雷射脈衝可以很容易地將後者置於規定的量子力學狀態。此外，它攜帶的信息可以很容易地用雷射束讀出。

Hunger說：「可以這麼說，它很容易與NV中心通話，因此它是一個輔助qubit。」 NV中心依次與碳原子的核自旋交談，因為這兩個微小的條形磁體會相互影響。「碳核的量子態可以通過尋址NV中心的雷射和微波脈衝間接控制，並且可以通過強射頻脈衝對核自旋進行其他直接操縱；因此，可以讀取qubit。類似地，也可以通過NV中心將其讀取。

研究人員選擇碳原子而不是NV中心作為實際的存儲位置，因為它的原子核具有相對較小的磁矩，因此對環境影響的反應比NV中心敏感。因此，C-13核可以潛在地存儲較長時間的量子信息，並且被認為是存儲量子信息的理想系統。

必須抑制對量子存儲器的兩個幹擾影響

但是，一個問題是，對NV中心的耦合（這對於寫入和讀出非常有用）同時導致C-13原子核中的量子位僅在幾千分之一秒內丟失其信息。這是因為，在讀取信息後，留給其自身設備的NV中心的磁矩不受控制地來回跳動，從而擾動了相鄰的C-13量子位，就像條形磁鐵不斷轉動到並在相鄰的弱得多的磁體中引起類似的搖擺運動。金剛石晶體中其他C-13原子核的磁矩以類似的方式影響C-13量子位的磁矩。

但是，正如研究人員所證明的，這兩個擾動的影響可以顯著降低。他們用綠色雷射束抑制了NV中心的影響。這迫使NV中心進入兩個磁態之一，並防止了磁矩的自然波動。在此過程中，雷射會暫時將電子擊中NV中心，然後不久再將其捕獲。因此，中心不斷電離並立即再次去離子。這又與來回跳躍的磁矩有關。

通過將雷射功率增加到十毫瓦，物理學家確保了磁矩改變其方向的速度比原始波動快得多。因此，C-13原子核中的量子位不再經歷不同的磁場，而是在時間上恆定的平均值。這意味著波動被關閉。保持條形磁鐵的圖像不變：如果一個條形磁鐵的來迴旋轉速度快於另一個條形磁鐵的翻轉速度，則它只會保持其方向。這種方法將qubit的壽命延長到半秒左右。

量子比特的壽命理論上可以延長到36小時

科學家使用了兩個技巧來最小化其他C-13原子的幹擾作用。首先，他們將人造鑽石中C-13碳同位素的百分比限制為百分之一，而天然鑽石則包含了較重碳版本的約百分之一。因此，與天然鑽石相比，人造鑽石中的下一個C-13磁性核彼此之間的距離更遠，因此相互之間的幹擾也較小。第二個技巧是藉助巧妙選擇的射頻脈衝來中和剩餘的C-13核對量子位的影響。兩種方法都將qubit的壽命延長到1.4秒左右。

「理論上說，量子比特的壽命最多可以增加36小時，」 David Hunger說。「原則上，可以通過改進技術來進一步降低當前的限制。」 例如，通過增加綠色雷射的功率，儘管這將有必要冷卻鑽石。此外，控制脈衝的最佳優化順序以及C-13濃度的進一步降低可以延長使用壽命。這位物理學家說，研究團隊將應對這些挑戰。

除了信用卡或護照的量子存儲器，研究人員還設想，量子存儲器在基於量子信息的未來通信網絡中可能會很重要。例如，在量子計算機之間交換信息將需要這種網絡。亨格說：「量子信息需要通過這種網絡暫時存儲在更長的路徑上。」 鑽石晶體（例如本研究中使用的晶體）可以用於這些所謂的中繼器。但是，Hunger承認，要實現諸如安全信用卡之類的應用，雷射，微波和射頻源的小型化將必須取得重大進展。讀出技術還必須變得更有效率。但這只是時間問題。