在量子计算和通信领域，一项突破性的研究工作极大地突破了量子内存（quantum memory）可能的界限。 德国乌尔姆大学（Ulm University）的科学家及其国际同事通过将钻石中锗空位（GeV）中心的相干时间（coherence time of germanium vacancy centers in diamonds）延长到20毫秒以上，取得了一项非凡的壮举，与之前的基准相比，这是一个重大飞跃。这一发展在著名的期刊《物理评论快报》中进行了详细说明，可能对量子技术的未来产生了深远的影响。
相干时间的意义
相干时间是量子系统中的关键度量，表明量子态在屈服于环境干扰（一种被称为退相干decoherence的现象）之前可以保持其属性多长时间。相干时间越长，量子系统在实际应用中就越可行，例如安全的量子通信网络和强大的量子计算机这样的量子系统。到目前为止，在量子存储设备中实现足够长的一致性时间一直是一项重大挑战，限制了量子技术的实际部署。
钻石解决方案
钻石，特别是那些有某些类型缺陷的钻石，由于其健壮性和保护量子态免受外部破坏的能力，已成为部署量子系统的有前途的候选者。钻石中的锗空位（GeV）中心是一个缺陷，作为量子节点显示出巨大的潜力，这要归功于其高效的自旋-光子界面（spin-photon），这对量子通信和计算至关重要。
在他们的开创性研究中，研究团队演示了使用动态解耦技术（dynamical decoupling， DD）来显著延长GeV中心的相干时间。通过在毫开尔文温度下工作并应用复杂的脉冲序列，他们设法抑制了磁噪声和振幅噪声的不利影响，因为磁噪声和振幅噪声是退相干的主要因素。
技术揭秘：克服退相干的途径
该团队采用了两种主要的动态解耦（DD）协议，即Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列和XY8序列。这些方法涉及应用精心定时的脉冲，以有效抵消环境噪声造成的相位干扰。通过微调这些脉冲序列，研究人员实现了以前认为无法实现的相干时间，与基本的哈恩回声技术（the basic Hahn echo technique）相比，CPMG协议的存储时间长了45倍，XY8协议的存储时间长了40倍。
此外，研究人员将影响GeV中心的噪声建模为Ornstein-Uhlenbeck过程，提供了一个与他们的实验结果密切匹配的理论框架。这种创新方法不仅延长了相干时间，还为在各种实验条件下优化量子内存性能提供了蓝图。
对量子技术的影响
这项研究的影响是广泛而多样的。通过大幅延长量子存储器的相干时间，该团队为更可靠、更高效的量子计算架构和通信网络铺平了道路。这些技术有望通过量子密码学彻底改变数据安全，大大提高复杂问题的计算能力，并通过目前经典计算机无法企及的模拟实现新的科学发现。
此外，这一突破凸显了跨学科合作在推进量子技术方面的重要性。量子物理学、材料科学和工程专业知识的整合对于实现这些结果至关重要，这凸显了继续投资量子研发的必要性。
展望未来
虽然通往完全可运行的量子互联网或通用量子计算机的旅程仍在进行中，这个团队所取得的进步是关键的里程碑。随着研究人员继续利用这些发现，充分利用量子技术潜力的梦想越来越接近现实。
