鑽石內亞原子擁有量子記憶

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據美國物理學家組織網6月27日報道，美國和德國科學家在最新研究中，將包裹於鉆石內單個電子裏的量子信息移入鄰近的單個氮原子核內，接著使用芯片上的布線讓其返回。這是科學家首次證明，鉆石內的亞原子也擁有量子記憶，據此可制造出亞原子存儲單元，這標誌著人類朝研制出基於鉆石的量子計算機邁出了關鍵的一步。相關研究發表在本周出版的《自然·物理學》雜誌網絡版上。

研究負責人、美國加州大學聖巴巴拉分校自旋電子學和量子計算研究中心的戴維·艾維薩洛姆表示，最新發現表明，全量子信息能在室溫下，在單個電子自旋和單個核自旋之間來回高保真地轉換。由於亞原子核狀態與外部世界之間更難發生具有破壞性的相互作用，鉆石內的亞原子也擁有量子記憶這種能力有助於研制原子層級的存儲單元，進而應用到基於鉆石的量子計算機中。而且，這個過程還能擴展，可以據此研制出新的固態量子設備。

該研究團隊之前已經證明，能夠使用氮原子束故意在鉆石上制造瑕疵來捕獲單個電子，從而合成出數千個這樣單個的電子狀態。

量子計算機需要能操作可能同時為“0”和“1”的量子狀態的邏輯元件。即使在室溫下，鉆石中的瑕疵也能精確地做到這一點，於是科學家開始考慮利用有瑕疵的鉆石來存儲數據。

不過，要制造出基於鉆石的量子計算機仍然存在著很多挑戰，其中之一是找到方法用可擴展的方式存儲量子信息。傳統計算機的存儲器和處理器位於兩個不同的物理位置，而在量子計算機中，它們則被集成在一起。

該論文的主要作者、加州大學聖巴巴拉分校博士後格雷格·富克斯表示，令人格外興奮的是，氮原子本身就是瑕疵的一部分，這意味著，在量子計算機內，這些亞原子存儲單元會自動地隨著邏輯字節數的增加而擴展。氮原子核自旋將是獲得可擴展的量子存儲的好選擇，困難在於如何快速地轉運這種量子狀態。

艾維薩洛姆解釋道：“關鍵的突破是，使用量子物理學獨特的屬性——在某種特定的情況下，兩個量子物體能混合成為一個新的復合體。通過將瑕疵內電子的量子自旋狀態和氮原子核的自旋狀態在很短的時間內(不到1千萬分之一秒)混在一起，最初被編進電子中的信息會被傳遞給原子核。”

該論文的合著者、康斯坦茨大學的物理學家圭多·布卡特表示：“其結果是，量子信息能夠被很快地轉運給壽命長的核自旋，這能進一步增強我們糾正量子計算中出現的錯誤的能力。”