05.24 可調鑽石弦：有效改善量子存儲器！

導讀

近日，哈佛大學與劍橋大學的研究人員開發出一種量子存儲器解決方案，如同為吉他調音一樣簡單。他們設計出的鑽石弦，經過調諧後能讓量子位周圍的環境安靜下來，並能將記憶存儲時間從幾十納秒提升至幾百納秒，這將為量子芯片上的許多操作提供足夠長的時間。

背景

如今，信息安全的重要性越來越受到廣泛重視。保證信息安全的有效手段之一就是加密。然而隨著計算機技術迅猛發展，特別是出現了計算能力和速度都超強的超級計算機及量子計算機，加密信息很容易遭到破解。

然而，基於量子通信的量子互聯網的信息載體是單個光子，光子在不被破壞的情況下，攜帶的信息無法被獲取。此外，依據量子力學原理，對量子的任何測量行為都是對量子體的一次修改，因此任何窺探量子信息的行為都會留下痕跡，量子信息的接收者都會察覺到。

（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

量子互聯網有望帶來完全安全的通信方式，然而構建量子互聯網並不是一件容易的事。採用量子位（qubit）攜帶信息需要一種全新的硬件：量子存儲器。這種原子級設備不僅需要存儲量子信息，還要將它轉化為沿著網絡傳輸的光線。

實現量子互聯網的一項主要挑戰，就是量子位對環境極為敏感，甚至附近原子的振動都會干擾它們記憶信息的能力。迄今為止，研究人員仍依賴於極低的溫度來消除振動。但是，讓大型量子網絡達到如此低的溫度，昂貴的程度令人望而卻步。

創新

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）以及劍橋大學的研究人員開發出一種量子存儲器解決方案，如同為吉他調音一樣簡單。他們設計出的鑽石弦，經過調諧後能讓量子位周圍的環境安靜下來，並能將記憶存儲時間從幾十納秒提升至幾百納秒，這將為量子芯片上的多個操作提供足夠長的時間。

（圖片來源：Second Bay Studios/Harvard SEAS）

這項研究的相關論文發表於《自然通信（Nature Communications）》。哈佛大學技術發展辦公室已經為該項目相關的知識產權提供了保護，並且正在尋找商業化機會。

技術

鑽石，其原始材料也就是天然礦物“金剛石”，它是在高溫、高壓條件下形成的碳元素單質晶體。在金剛石晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無限的三維骨架，是典型的原子晶體。下面這幅圖展示了金剛石和其同素異形體：石墨，在內部碳原子排列方式和外表物理特徵上的差異。

鑽石雖然極度純淨，但也並非完美無瑕。鑽石中的這種雜質具有獨特的價值，特別是用於製造量子位。

如果金剛石晶體中的碳原子被其他類型的原子取代，將導致晶格缺陷。如果碳原子被氮原子取代，就形成了氮空位中心；如果碳原子被硅原子取代，就形成了硅空位中心。關於兩種空位中心的科研案例，筆者之前都有過介紹，而目前研究最多的就是氮空位中心技術。因為金剛石缺陷激發出的光粒子，能夠保持量子位的疊加態，所以它可以在量子計算設備之間傳遞信息。

氮空位中心

硅空位中心

為了進一步加深理解，讓我們首先看兩個概念：第一，“空位”，它是鑽石晶格中的一個位置，本來此位置上應該有一個碳原子，但是它卻消失了；第二，“雜質”，也就是說，除了碳原子以外，在晶格中還發現了其他物質的原子。“空位”與“雜質”相結合，創造了“空位”和“雜質”的“中心”，它可以囚禁自由電子。這些電子的磁定位，或者說是“自旋”，可能會產生疊加態，從而形成量子位。

鑽石雜質實際上是一種自然的發光體，由鑽石雜質激發出的光粒子，能保持住量子位的疊加態，因此它們可以在量子計算設備之間傳遞信息。

這篇論文高級作者、SEAS 電氣工程系教授 Marko Loncar 表示：“鑽石中的雜質已經成為打造量子網絡過程中富有前景的新興發展節點。然而，它們並不完美。某些雜質很擅長存儲信息，但是很難進行信息通信；而另外一些雜質很擅長信息通信，但是存儲的信息會發生遺漏。在這項研究中，我們採用了後一種，並將其存儲性能提升了10倍。”

“硅空位顏色中心”（silicon-vacancy color centers），是一種強大的量子位。囚禁於該中心的電子可以作為存儲位使用，並能夠激發單光子紅光，作為量子互聯網的長距離通信的信息載體。但是，金剛石晶體中附近的原子會產生隨機振動，囚禁於中心的電子很快就會忘記被要求記住的信息。

論文的共同第一作者、SEAS 研究生 Srujan Meesala 表示：“成為顏色中心中的一個電子，就像在吵鬧的市場中學習一樣，你周圍到處都是噪音。如果你想要記住任何東西，你要麼讓人群安靜，要麼找到一條在噪音中保持專注的途徑。我們選擇了後者。”

為了改善嘈雜環境中的記憶存儲能力，研究人員將含有顏色中心的金剛石晶體切成寬度約為一微米（厚度約為一縷頭髮絲的百分之一）的細弦，然後將其兩端都連接電極，再對鑽石弦施加電壓，使其拉伸並提升其振動頻率，而電子對於這個振動頻率很敏感，就像繃緊的吉他弦會提高其頻率或者音調。

價值

Meesala 表示：“通過增加弦上的張力，我們提升了振動的能量水平，電子對於這一變化非常敏感，意味著現在它只能感受到非常高能的振動。這一過程將晶體內部周遭的振動有效地轉化為無關的背景噪音，使得空位內的電子能輕鬆地將信息維持幾百納秒，在量子尺度上這算是很長的時間了。這些可調諧的鑽石弦相互配合，將成為未來量子互聯網的核心技術。”

未來

下一步，研究人員希望將量子位的存儲時間延長至毫秒，這將使量子芯片完成幾十萬次操作並實現長距離量子通信。

量子技術、網絡、存儲技術

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2018/05/tunable-diamond-string-may-hold-key-to-quantum-memory

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms3254

【3】https://www.nature.com/articles/ncomms15376

【4】https://www.nature.com/articles/s41467-018-04340-3