量子记忆的材料是：一个国际物理学家团队首次成功地在室温下将量子位在钻石中存储了超过一秒钟。研究人员没有使用此处显示的天然钻石，但是也没有切割。他们通过将包含百分之一的重碳同位素C-13的碳和少量来自气相的氮沉积到基质上来人工生产钻石。他们以这种方式获得的钻石的边缘长度为几毫米。
一组科学家在室温下成功地将一个量子比特存储在钻石晶体中超过一秒，几乎提高了近千倍，并且相信量子比特的寿命最多可以增加36小时。
完全防欺诈的信用卡和不能伪造的护照：量子物理学可以使这两种方式成为可能。这可以通过以下事实来解释：没有专门的可能使用卡的授权用户才能获得附加信息，例如粒子的原子原子核的量子力学状态既不能正确复制也不能正确读出。因此，如果一张信用卡要包含一个量子内存，它将受到保护以防止滥用。尽管物理学家已经开发出了将量子态写入不同类型的存储器并再次读出的方法，但问题是这些方法只能在绝对零值以上工作不包括常规使用的温度-或仅在几毫秒后丢失的存储量子信息。波士顿附近的剑桥哈佛大学，加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所和帕萨迪纳的加州理工学院的研究人员现在已经成功地在室温下将金刚石晶体中的量子态存储了超过一秒钟。研究人员甚至认为，如果他们改进他们的方法，则可以保存一个半天的时间。
量子存储器使用常规计算机存储器中信息的最小单位的更为复杂的版本，该位即所谓的量子位，简称qubit。尽管该位在任何时间点只能采取两种可能状态中的一种（其中一种状态用“ 0”指定，另一种状态用“ 1”表示），但是qubit实际上可以同时采用两种状态。它的信息内容分别包含权重“ 0”和“ 1”：量子位可以包含20％的“ 0”和80％的“ 1”。总计达到100％的任何比率都是可能的。这意味着许多值可以存储在单个qubit中。
物理学家使用各种物理系统来存储量子位，例如原子，这些原子位于与鸡蛋纸盒中的鸡蛋相似的交叉激光束晶格中，或者位于固体中的原子核。将来，几个量子位的量子存储器可用于防伪数据存储，因为所谓的量子物理学无克隆定理禁止复制量子态。另外，只有在知道了已写入存储器的参数（例如光信号的偏振方向）的情况下，才可以读出内容。
量子存储器必须与环境隔离，但不能完全隔离
几乎无法克服的障碍阻碍了其实际实施。量子存储器必须满足两个相互矛盾的标准：一方面，它必须与环境尽可能隔离，以使所存储的量子位不会被外部磁场，光粒子或类似的环境影响所破坏。另一方面，它必须能够在相同的环境下交换信息。否则将无法将信息写入存储器并再次读出。因此，量子位的完全隔离不能达到目的。
来自哈佛大学，马克斯·普朗克量子光学研究所和加州理工学院的国际研究人员小组现已成功地调和了相互矛盾的因素，以至于即使在室温下，人造金刚石晶体中的量子位也可以保持超过一秒的稳定性。 。以前，这种类型的qubit仅保留了千分之一秒。“我们通过相对较少的实验工作就实现了近千倍的改进，”位于Garching的Max Planck量子光学研究所的David Hunger说。科学家本质上需要绿色激光，用于微波和射频的快速切换光源以及能够检测单个光粒子的高灵敏度检测器。
对于量子比特，研究人员使用了一个碳原子的核，或更确切地说，使用了C-13碳同位素。它的核具有所谓的核自旋，会产生磁矩。因此，C-13核的行为就像一个微小的条形磁铁，可以使其自身与外部施加的磁场平行或反平行。这两个状态形成量子位的“ 0”和“ 1”。
通过氮空位中心写入和读出C-13量子位
这个量子位与周围环境之间的信息交换是间接进行的：研究人员以这种方式生长钻石，使钻石中除了微量的C-13同位素外还含有少量氮，因此一些氮原子位于碳原子附近。 C-13原子。而且，在氮原子的直接附近缺少一个碳原子。因此，物理学家称其为氮空位中心，或简称为NV中心。NV中心也有自旋，因此形成一个量子比特。借助微波和激光脉冲可以很容易地将后者置于规定的量子力学状态。此外，它携带的信息可以很容易地用激光束读出。
Hunger说：“可以这么说，它很容易与NV中心通话，因此它是一个辅助qubit。” NV中心依次与碳原子的核自旋交谈，因为这两个微小的条形磁体会相互影响。“碳核的量子态可以通过寻址NV中心的激光和微波脉冲间接控制，并且可以通过强射频脉冲对核自旋进行其他直接操纵；因此，可以读取qubit。类似地，也可以通过NV中心将其读取。
研究人员选择碳原子而不是NV中心作为实际的存储位置，因为它的原子核具有相对较小的磁矩，因此对环境影响的反应比NV中心敏感。因此，C-13核可以潜在地存储较长时间的量子信息，并且被认为是存储量子信息的理想系统。
必须抑制对量子存储器的两个干扰影响
但是，一个问题是，对NV中心的耦合（这对于写入和读出非常有用）同时导致C-13原子核中的量子位仅在几千分之一秒内丢失其信息。这是因为，在读取信息后，留给其自身设备的NV中心的磁矩不受控制地来回跳动，从而扰动了相邻的C-13量子位，就像条形磁铁不断转动到并在相邻的弱得多的磁体中引起类似的摇摆运动。金刚石晶体中其他C-13原子核的磁矩以类似的方式影响C-13量子位的磁矩。
但是，正如研究人员所证明的，这两个扰动的影响可以显着降低。他们用绿色激光束抑制了NV中心的影响。这迫使NV中心进入两个磁态之一，并防止了磁矩的自然波动。在此过程中，激光会暂时将电子击中NV中心，然后不久再将其捕获。因此，中心不断电离并立即再次去离子。这又与来回跳跃的磁矩有关。
通过将激光功率增加到十毫瓦，物理学家确保了磁矩改变其方向的速度比原始波动快得多。因此，C-13原子核中的量子位不再经历不同的磁场，而是在时间上恒定的平均值。这意味着波动被关闭。保持条形磁铁的图像不变：如果一个条形磁铁的来回旋转速度快于另一个条形磁铁的翻转速度，则它只会保持其方向。这种方法将qubit的寿命延长到半秒左右。
量子比特的寿命理论上可以延长到36小时
科学家使用了两个技巧来最小化其他C-13原子的干扰作用。首先，他们将人造钻石中C-13碳同位素的百分比限制为百分之一，而天然钻石则包含了较重碳版本的约百分之一。因此，与天然钻石相比，人造钻石中的下一个C-13磁性核彼此之间的距离更远，因此相互之间的干扰也较小。第二个技巧是借助巧妙选择的射频脉冲来中和剩余的C-13核对量子位的影响。两种方法都将qubit的寿命延长到1.4秒左右。
“理论上说，量子比特的寿命最多可以增加36小时，” David Hunger说。“原则上，可以通过改进技术来进一步降低当前的限制。” 例如，通过增加绿色激光的功率，尽管这将有必要冷却钻石。此外，控制脉冲的最佳优化顺序以及C-13浓度的进一步降低可以延长使用寿命。这位物理学家说，研究团队将应对这些挑战。
除了信用卡或护照的量子存储器，研究人员还设想，量子存储器在基于量子信息的未来通信网络中可能会很重要。例如，在量子计算机之间交换信息将需要这种网络。亨格说：“量子信息需要通过这种网络暂时存储在更长的路径上。” 钻石晶体（例如本研究中使用的晶体）可以用于这些所谓的中继器。但是，Hunger承认，要实现诸如安全信用卡之类的应用，激光，微波和射频源的小型化将必须取得重大进展。读出技术还必须变得更有效率。但这只是时间问题。
