【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。

鑽石內的瑕疵對於發展量子電腦可能有幫助。

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)
延伸閱讀:Awschalom Group 奧夏隆團隊的研究列表

責任編輯:MissZoe

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4 thoughts on “【一頁物理】瑕疵鑽石可助儲存量子記憶

  • 2011 年 04 月 20 日 at 20:04:22
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    聽(念電腦的人)說,量子電腦或許永遠不會取代日常電腦~不過可以讓美國國防部研發更安全的密碼而傷透腦筋。

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  • 2011 年 04 月 20 日 at 23:49:11
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    目前量子計算系統原理還是局限於光子和核(自旋)的交互作用,因此雷射 (coherent!) 變成必備品。也就是說目前 CPU 中的 CMOS 架構和金屬導線網路並沒有辦法用來實現量子計算,也沒有辦法和量子計算系統互補 (以目前的情況來看)。當然,也有許多研究團隊在 III-V 族半導體系統,建構光(子)元件,或許會是未來 classical computer 和 quantum computer 的橋梁。

    小弟今年有幸在 Dallas 聽了 Awschalom 和他團隊裡面的 G. Fuchs, B. Buckley 等人的演講;在場的人都對於這個"室溫"而且是"固態系統"中的單自旋 (quantum single spin) 很感興趣,也問了許多有趣的問題,像是:這個系統的 scalability (能否做得小)、如何達到真正的量子"運算" (目前他們展示的是如何控制與量測 NV 的 spins) ...等等。Awschalom group 本就以 spintronics 和 spin logic 見長,希望在往後幾年可以看到更多實際應用的展示!

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    • 2011 年 04 月 21 日 at 11:52:46
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      這是我迄今聽到最詳細的說明了,推一下~~

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