美國和德國科學家在最新研究中,將包裹于鉆石內單個電子里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,這標志著人類朝研制出基于鉆石的量子計算機邁出了關鍵的一步。" {/ [: i$ w$ @' c4 d1 ~" E
研究負責人、美國加州大學圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)自旋電子學和量子計算研究中心的David
3 {+ i! j0 c0 q3 B1 XAwschalom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。由于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于研制原子 6 R# F# @: Q _! D2 R3 }
層級的存儲單元,進而應用到基于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。
) l1 h* ^$ Y8 ~$ m# x1 _: T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。
" S+ K( P0 ^. n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,于是科學家開始考慮利用有瑕疵的鉆石來存儲數據。不過,要制造出基于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于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、加州大學圣巴巴拉分校博士后Greg Fuchs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,困難在于如何快速地轉運這種量子狀態。David Awschalom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
, @/ b; B! w0 T m5 @, O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Guido Burkard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。”
g& z9 ]' E* {1 G; M相關研究發表在本周出版的 《自然·物理學》雜志網絡版上。5 n0 V& E# B4 Q# I' y, c, G
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