钻石内的亚原子拥有量子记忆

2011-6-29 13:33 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网6月27日报道,美国和德国科学家在最新研究中,将包裹于钻石内单个电子里的量子信息移入邻近的单个氮原子核内,接着使用芯片上的布线让其返回。这是科学家首次证明,钻石内的亚原子也拥有量子记忆,据此可制造出亚原子存储单元,这标志着人类朝研制出基于钻石的量子计算机迈出了关键的一步。相关研究发表在本周出版的《自然·物理学》杂志网络版上。

  研究负责人、美国加州大学圣巴巴拉分校自旋电子学和量子计算研究中心的戴维·艾维萨洛姆表示,最新发现表明,全量子信息能在室温下,在单个电子自旋和单个核自旋之间来回高保真地转换。由于亚原子核状态与外部世界之间更难发生具有破坏性的相互作用,钻石内的亚原子也拥有量子记忆这种能力有助于研制原子层级的存储单元,进而应用到基于钻石的量子计算机中。而且,这个过程还能扩展,可以据此研制出新的固态量子设备。

  该研究团队之前已经证明,能够使用氮原子束故意在钻石上制造瑕疵来捕获单个电子,从而合成出数千个这样单个的电子状态。

  量子计算机需要能操作可能同时为“0”和“1”的量子状态的逻辑元件。即使在室温下,钻石中的瑕疵也能精确地做到这一点,于是科学家开始考虑利用有瑕疵的钻石来存储数据。

  不过,要制造出基于钻石的量子计算机仍然存在着很多挑战,其中之一是找到方法用可扩展的方式存储量子信息。传统计算机的存储器和处理器位于两个不同的物理位置,而在量子计算机中,它们则被集成在一起。

  该论文的主要作者、加州大学圣巴巴拉分校博士后格雷格·富克斯表示,令人格外兴奋的是,氮原子本身就是瑕疵的一部分,这意味着,在量子计算机内,这些亚原子存储单元会自动地随着逻辑字节数的增加而扩展。氮原子核自旋将是获得可扩展的量子存储的好选择,困难在于如何快速地转运这种量子状态。

  艾维萨洛姆解释道:“关键的突破是,使用量子物理学独特的属性——在某种特定的情况下,两个量子物体能混合成为一个新的复合体。通过将瑕疵内电子的量子自旋状态和氮原子核的自旋状态在很短的时间内(不到1千万分之一秒)混在一起,最初被编进电子中的信息会被传递给原子核。”

  该论文的合著者、康斯坦茨大学的物理学家圭多·布卡特表示:“其结果是,量子信息能够被很快地转运给寿命长的核自旋,这能进一步增强我们纠正量子计算中出现的错误的能力。”