Ny kvantehukommelse gemmer information i timevis

Lagring af information i et kvantehukommelsessystem er en vanskelig udfordring, da data normalt hurtigt går tabt. På TU Wien, ultralange opbevaringstider er nu blevet opnået ved hjælp af bittesmå diamanter.

Med kvantepartikler, information kan lagres og manipuleres – dette er grundlaget for mange meget lovende teknologier, såsom ekstremt følsomme kvantesensorer, kvantekommunikation eller endda kvantecomputere. Der er, imidlertid, et væsentligt problem:det er vanskeligt at lagre information i et kvantefysisk system i en længere periode. Kvanteinformationen har en tendens til at forsvinde inden for brøkdele af et sekund på grund af interaktioner med miljøet.

På TU Wien har det nu været muligt at gemme kvanteinformation i timevis ad gangen ved hjælp af specielle diamanter. Dette gør kvanteinformationen endnu mere stabil end den konventionelle information, der er lagret i vores computeres arbejdshukommelse. Resultaterne af denne forskning er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

Diamanter med defekter

Et særligt kvantesystem bliver brugt på TU Wien, som har vakt stor interesse over hele verden. "Vi bruger små diamanter, der bevidst er sået med små defekter, siger Johannes Majer, Forskningsgruppeleder ved Institut for Atom- og Subatomisk Fysik ved TU Wien. Normalt er en diamant kun sammensat af kulstofatomer. Ved at bestråle diamanten, det er muligt at indføre et nitrogenatom i diamantstrukturen i stedet for et kulstofatom på bestemte punkter, som så efterlader et ubesat punkt i krystalgitteret ved siden af. Denne "gitterdefekt" er kendt som et NV-center eller nitrogen-fritidscenter. Nitrogenatomet og det tomme sted kan antage forskellige tilstande, så dette gitterdefektsted kan bruges til at gemme en informationskvantebit.

Det afgørende er, hvor længe disse oplysninger forbliver stabile. "Tidsskalaen, hvor en kvantebit typisk mister sin energi og dermed den lagrede information, er teknologisk set en af ​​de vigtigste egenskaber ved en sådan kvantebit, " forklarer Thomas Astner, publikationens hovedforfatter. "Det er derfor afgørende at forstå årsagen til energitabet og hastigheden af ​​denne proces."

For første gang, forskere ved Institut for Atom- og Subatomisk Fysik ved TU Wien har nu eksperimentelt været i stand til at bestemme den karakteristiske periode, hvor diamantfejlene mister deres kvanteinformation. Diamanterne blev koblet til mikrobølger, så kvanteinformation kan skrives og læses. Den specielle mikrobølgeresonator, der bruges til dette formål, er udviklet af Andreas Angerer ved TU Wien i 2016. Den kan bruges til at bestemme, med stor præcision, hvor meget energi der stadig er lagret i diamanten.

Rekordtider

Målingerne er udført ved meget lave temperaturer, lige over den absolutte nultemperatur, ved 20 millikelvin. Varme ville forstyrre systemmiljøet og slette kvanteinformationen. Det blev tydeligt, at diamanterne kan gemme deres information over flere timer, meget længere end man troede var muligt. "Informationen i D-RAM-chippen i en almindelig computerhukommelse er meget mindre stabil. Der går energien tabt inden for et par hundrede millisekunder, hvilket betyder, at oplysningerne derefter skal opdateres, siger Johannes Majer.

Ikke alle diamanter med defekter tilbyder de samme opbevaringsperioder. Rekorden holdes af en speciel diamant fremstillet af teamet, der arbejder med Junichi Isoya på University of Tsukuba i Japan. Det blev bestrålet med elektroner over flere måneder for at generere så mange N-V-centerdefekter som muligt uden at indføre andre skadelige virkninger. En kvantelagringsperiode på 8 timer kunne måles i denne diamant.

"I begyndelsen kunne vi næsten ikke tro disse vidunderlige resultater, " siger Johannes Majer. Fænomenet blev derfor undersøgt grundigt ved hjælp af computersimuleringer. Johannes Gugler og professor Peter Mohn (også ved TU Wien) udførte komplekse beregninger, der førte til forklaringen, at diamantkvantelagringens ekstraordinære stabilitet skyldes den særligt stive diamantgitter. "Mens andre materialer viser gittervibrationer, der hurtigt kan føre til tab af den lagrede information, koblingen af ​​kvanteinformation til gittervibrationerne er meget svag i diamanter, og energi kan lagres i timevis, siger Thomas Astner.