【一頁物理】瑕疵鑽石可助儲存量子記憶

■ 不完美的鑽石或許能讓我們的電腦科技更上一層樓。這群美國加州大學聖塔芭芭拉分校的科學家，利用鑽石微瑕發展量子傳輸新技術。

編譯 ∣ 高英哲

　　科學家發展出一套新做法，可以操控鑽石晶體裡的原子，使其儲存的資料保存時間，長到足以當作量子記憶體使用。這個意思是，這種鑽石給資訊編碼的方式，不是像一般電腦那樣弄出一堆零與一的組合，而是在同一時間裡，既是零也是一。物理學家使用這類的量子資料，安全地傳送資訊。他們希望最終能夠造出量子電腦，用以解決現今科技無法企及的難題。

　　對那些發展出這種量子記憶體的人來說，完美的鑽石可不是來自蒂芬妮或哈利溫斯頓（上述皆為知名珠寶商）。這項科技的關鍵點，就是要鑽石純度不夠。美國加州大學聖塔芭芭拉分校的奧夏隆 (David Awschalom) 說，這確實夠怪了，完美無瑕在這裡行不通，他們就是要瑕疵品。

　　鑽石裡最常見的瑕疵就是含氮，這會讓鑽石發黃。氮原子靠在碳晶體旁邊的真空點旁邊時，這個不速之客就會放出一個額外的電子，跑進那個洞裡。科學家在幾年前利用微波能量，找出改變這種電子自旋方向的方法，使其能夠當成量子位元使用。

　　一直在尋找能夠更穩定地儲存量子資訊方法的奧夏隆，如今搞清楚了電子自旋方向與鄰近氮原子核的自旋方向，兩者之間有何關連。這個由磁場觸發的轉變非常快速，大約才一百奈秒而已，相較之下，要把資訊儲存在記憶體裡，所費的時間長得多了。奧夏隆在三月於達拉斯舉辦的一場美國物理學會會議中提到，這項技法的傳真性高達百分之八十五到九十五。

　　有些其他還在發展當中的量子系統，都要溫度接近絕對零度，相較之下，這種鑽石記憶體卻可在室溫下運作。透過閃耀的雷射光，鑽石內的各種自旋方向，不但能夠加以改變，也可以予以測量。這讓科學家很想要把鑽石拿來研發奈米光電系統，用光來移動、儲存資訊。

　　量子記憶體並不像鑽石本身那樣，一顆永留存，不過就量子的標準來說，倒是能保存非常久的時間。核自旋方向保持同調的時間，目前超過一毫秒，或許還能改良到好幾秒的程度。 IBM 艾馬登研究中心物理學家羅斯 (Sebastian Loth) 說，只有在同調的時候，你的量子魔法才有搞頭；倘若同調的期間長達好幾毫秒的話，就可以做幾百萬次運算了。

　　除了穩定性之外，鑽石或許也能克服另一個量子運算的難題：它可以疊加，儲存容量更大。奧夏隆在去年發表於《奈米學報》（Nano Letters）的一篇論文中提到，他研發出一種技法，利用雷射在鑽石內植入數以千計的氮原子，使其形成一個訂做的網格模式。

　　奧夏隆的鑽石量子記憶體，或許還能夠有助於建造大型量子網路。目前量子資訊是透過連接量子位元（或是說把它們糾纏在一起）的方式進行傳輸，這種做法的傳輸距離，僅限於幾公里之內。量子重發器或許可以利用小塊的鑽石晶片，捕捉、儲存並重新傳輸資訊，藉此增長傳輸距離，使得量子網路能夠無遠弗屆。

報導出處：Diamond could store quantum information（SienceNews）

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責任編輯：MissZoe