05.24 可调钻石弦：有效改善量子存储器！

导读

近日，哈佛大学与剑桥大学的研究人员开发出一种量子存储器解决方案，如同为吉他调音一样简单。他们设计出的钻石弦，经过调谐后能让量子位周围的环境安静下来，并能将记忆存储时间从几十纳秒提升至几百纳秒，这将为量子芯片上的许多操作提供足够长的时间。

背景

如今，信息安全的重要性越来越受到广泛重视。保证信息安全的有效手段之一就是加密。然而随着计算机技术迅猛发展，特别是出现了计算能力和速度都超强的超级计算机及量子计算机，加密信息很容易遭到破解。

然而，基于量子通信的量子互联网的信息载体是单个光子，光子在不被破坏的情况下，携带的信息无法被获取。此外，依据量子力学原理，对量子的任何测量行为都是对量子体的一次修改，因此任何窥探量子信息的行为都会留下痕迹，量子信息的接收者都会察觉到。

（图片来源：SQO团队，渥太华大学）

量子互联网有望带来完全安全的通信方式，然而构建量子互联网并不是一件容易的事。采用量子位（qubit）携带信息需要一种全新的硬件：量子存储器。这种原子级设备不仅需要存储量子信息，还要将它转化为沿着网络传输的光线。

实现量子互联网的一项主要挑战，就是量子位对环境极为敏感，甚至附近原子的振动都会干扰它们记忆信息的能力。迄今为止，研究人员仍依赖于极低的温度来消除振动。但是，让大型量子网络达到如此低的温度，昂贵的程度令人望而却步。

创新

近日，美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）以及剑桥大学的研究人员开发出一种量子存储器解决方案，如同为吉他调音一样简单。他们设计出的钻石弦，经过调谐后能让量子位周围的环境安静下来，并能将记忆存储时间从几十纳秒提升至几百纳秒，这将为量子芯片上的多个操作提供足够长的时间。

（图片来源：Second Bay Studios/Harvard SEAS）

这项研究的相关论文发表于《自然通信（Nature Communications）》。哈佛大学技术发展办公室已经为该项目相关的知识产权提供了保护，并且正在寻找商业化机会。

技术

钻石，其原始材料也就是天然矿物“金刚石”，它是在高温、高压条件下形成的碳元素单质晶体。在金刚石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。下面这幅图展示了金刚石和其同素异形体：石墨，在内部碳原子排列方式和外表物理特征上的差异。

钻石虽然极度纯净，但也并非完美无瑕。钻石中的这种杂质具有独特的价值，特别是用于制造量子位。

如果金刚石晶体中的碳原子被其他类型的原子取代，将导致晶格缺陷。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。关于两种空位中心的科研案例，笔者之前都有过介绍，而目前研究最多的就是氮空位中心技术。因为金刚石缺陷激发出的光粒子，能够保持量子位的叠加态，所以它可以在量子计算设备之间传递信息。

氮空位中心

硅空位中心

为了进一步加深理解，让我们首先看两个概念：第一，“空位”，它是钻石晶格中的一个位置，本来此位置上应该有一个碳原子，但是它却消失了；第二，“杂质”，也就是说，除了碳原子以外，在晶格中还发现了其他物质的原子。“空位”与“杂质”相结合，创造了“空位”和“杂质”的“中心”，它可以囚禁自由电子。这些电子的磁定位，或者说是“自旋”，可能会产生叠加态，从而形成量子位。

钻石杂质实际上是一种自然的发光体，由钻石杂质激发出的光粒子，能保持住量子位的叠加态，因此它们可以在量子计算设备之间传递信息。

这篇论文高级作者、SEAS 电气工程系教授 Marko Loncar 表示：“钻石中的杂质已经成为打造量子网络过程中富有前景的新兴发展节点。然而，它们并不完美。某些杂质很擅长存储信息，但是很难进行信息通信；而另外一些杂质很擅长信息通信，但是存储的信息会发生遗漏。在这项研究中，我们采用了后一种，并将其存储性能提升了10倍。”

“硅空位颜色中心”（silicon-vacancy color centers），是一种强大的量子位。囚禁于该中心的电子可以作为存储位使用，并能够激发单光子红光，作为量子互联网的长距离通信的信息载体。但是，金刚石晶体中附近的原子会产生随机振动，囚禁于中心的电子很快就会忘记被要求记住的信息。

论文的共同第一作者、SEAS 研究生 Srujan Meesala 表示：“成为颜色中心中的一个电子，就像在吵闹的市场中学习一样，你周围到处都是噪音。如果你想要记住任何东西，你要么让人群安静，要么找到一条在噪音中保持专注的途径。我们选择了后者。”

为了改善嘈杂环境中的记忆存储能力，研究人员将含有颜色中心的金刚石晶体切成宽度约为一微米（厚度约为一缕头发丝的百分之一）的细弦，然后将其两端都连接电极，再对钻石弦施加电压，使其拉伸并提升其振动频率，而电子对于这个振动频率很敏感，就像绷紧的吉他弦会提高其频率或者音调。

价值

Meesala 表示：“通过增加弦上的张力，我们提升了振动的能量水平，电子对于这一变化非常敏感，意味着现在它只能感受到非常高能的振动。这一过程将晶体内部周遭的振动有效地转化为无关的背景噪音，使得空位内的电子能轻松地将信息维持几百纳秒，在量子尺度上这算是很长的时间了。这些可调谐的钻石弦相互配合，将成为未来量子互联网的核心技术。”

未来

下一步，研究人员希望将量子位的存储时间延长至毫秒，这将使量子芯片完成几十万次操作并实现长距离量子通信。

量子技术、网络、存储技术

【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