【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】在量子存储系统中存储信息是一个困难的挑战，因为数据通常很快就会丢失。在TU Wien超长存储时间现在已经用小钻石实现了。利用量子粒子，信息可以被储存和操纵——这是许多非常有前途的技术的基础，比如极其敏感的量子传感器，量子通信，甚至是量子计算机。然而有一个重要的问题:在长期的量子物理系统中存储信息是很困难的。由于与环境的相互作用，量子信息往往在一秒钟内消散。在TU Wien，现在可以用特殊的钻石来存储数小时的量子信息。这使得量子信息比存储在我们计算机工作记忆中的常规信息更加稳定。这项研究的结果已经发表在《自然材料》杂志上。
在晶格中的某些位置，一个碳原子(白色)不见了，在邻近的位置有一个氮原子(黄色)。图片版权：Vienna University of Technology
钻石与缺陷
一种特殊的量子系统正被应用于杜维恩，这在全世界引起了极大的兴趣。“我们使用的是小瑕疵的小钻石，”杜维恩原子和亚原子物理研究所的研究小组组长约翰内斯·马杰说。通常金刚石是由碳原子组成的。通过辐照钻石，可以将一个氮原子引入到钻石结构中，取代碳原子在某些点上，然后在它旁边的晶格中留下一个未被占据的点。这种“晶格缺陷”被称为NV-中心或氮空位中心。氮原子和空位点可以假设不同的状态，所以这个晶格缺陷点可以用来存储信息量子比特。决定性的问题是，这些信息保持多久是稳定的。
该出版物的主要作者托马斯·阿斯特纳解释说：在时间尺度上，量子比特通常会失去能量，而存储信息在技术上是这类量子比特的最重要特征之一。因此准确地理解能源损耗的原因以及这一过程的速度是至关重要的。第一次在TU Wien的原子和亚原子物理研究所的科学家们已经能够通过实验确定钻石错误失去量子信息的特征周期。钻石与微波耦合，这样量子信息就可以被写入和读取。这个用途的特殊微波谐振器是在2016年由图维恩的Andreas Angerer开发的。它可以用来精确地确定钻石中储存了多少能量。
记录时间
这些测量是在非常低的温度下进行的，刚好在绝对零度以上，在20毫克尔温。热量会干扰系统环境，并消除量子信息。很明显，钻石可以在几个小时内储存它们的信息，比人们认为的要长得多。普通计算机内存中的D-RAM芯片的信息不太稳定。在那里能量在几百毫秒内就消失了，这意味着信息必须被刷新。并非所有有缺陷的钻石都提供相同的存储期。这张唱片是由在日本筑波大学与Junichi Isoya合作的团队制作的。在几个月的时间内，它被电子辐射，产生尽可能多的N-V中心缺陷，而不引入任何其他有害影响。这颗钻石可以测量8小时的量子存储周期。
微波谐振器与钻石在中间，由于晶格缺陷，钻石是黑色的。图片版权：Vienna University of Technology
一开始很难相信这些美妙的结果。因此这一现象被用计算机模拟进行了彻底的研究。Johannes Gugler和Peter Mohn教授(也在TU Wien)进行了复杂的计算，结果解释了钻石量子存储的异常稳定性是由于特别坚硬的钻石晶格造成的。“其他材料显示晶格振动能迅速导致存储信息的丢失，而量子信息与晶格振动的耦合非常微弱，能量可以储存几个小时。
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参考：Nature Materials
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：维也纳科技大学
编译：中子星
审校：博科园
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