波士顿—量子世界和人类日常经验的世界被认为是两个不同的领域。正如在实验室中所展示的，量子效应通常局限于极小的尺度。它们持续的时间极短，难以察觉。而且它们主要出现在高度受控的、在接近绝对零度的低温下运行的系统中。
但是，实验物理学家们正在努力跨越量子世界和日常世界之间被认为存在的鸿沟，通过在更熟悉的环境中展示量子效应。现在，一组研究人员通过将量子信息编码到室温固体中，并在可以用秒表计时的时长内保持，从而进一步推动了这一进程。这种新的量子存储方案可以将信息存储超过一秒钟，这比在普通温度下以量子比特（或称qubit）形式编码在粒子上的信息的寿命延长了几个数量级。美国、德国和英国的研究人员刚刚将这项研究提交给同行评审期刊，但在二月底，他们在美国物理学会的会议上展示了他们的发现。
量子比特（qubit）很像普通电子设备中的普通比特，具有 0 态和 1 态。但是，与经典比特不同，量子比特可以处于 0 和 1 的所谓叠加态。这种特性，以及其他现象，例如量子纠缠，意味着基于量子比特的量子计算机将非常强大——当然，前提是能够制造出实用的机器。
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但是，这种强大能力是有代价的。量子比特很容易受到外部因素的破坏，例如热和磁场。物理学家们通过几乎消除这些噪声，将单个原子限制在真空阱中或将它们冷却到接近绝对零度，从而制造出长寿命的量子比特。但是，一些研究小组一直在尝试设计可以在室温固态系统中运行的量子比特——简而言之，制造出一种可以在比特世界中生存的量子比特。
在这一领域的最新进展中，哈佛大学的米哈伊尔·卢金和德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的伊格纳西奥·西拉克及其同事的研究小组，将长寿命的量子信息编码到合成生产的钻石中单个原子杂质的自旋中。自旋是一种量子特性，类似于粒子内部条形磁铁的指向，向上或向下，分别代表 1 或 0。
实验用量子级钻石是 99.99% 纯的碳 12，这是该元素最常见的同位素。但这种晶体还包含少量的较重同位素碳 13，以及植入的氮离子，这些氮离子在钻石晶格中形成缺陷，被称为氮空位中心。这两种杂质都具有一定的量子优势。
例如，每种杂质都具有一种特殊的内在自旋。氮离子有一个相关的电子，通过将激光照射到氮空位中心，可以很容易地检测到该电子的自旋态。碳 13 的核自旋态在很长一段时间内保持稳定。
研究人员找到了一种方法来结合这两种属性。他们的方法是使用碳 13 长期存储信息，并使用氮离子作为读出装置。
科学家们在钻石中找到了一个区域，其中碳 13 和氮离子之间的距离仅约两纳米。在这个距离上，氮离子电子的自旋和附近碳核的自旋耦合在一起——电子充当一个微小的磁力计，反映碳 13 的核自旋态。通过用激光照射氮空位中心，研究人员可以测量电子的自旋，并由此推断出碳 13 核的自旋。
问题在于，电子的自旋不如碳原子的核自旋稳定；它在毫秒时间尺度上波动。一旦电子改变其自旋，量子比特中的信息就会丢失。“单次电子自旋翻转会完全破坏我们原子核的相干性，”卢金研究小组的成员 Georg Kucsko 在会议上说。为了防止电子的翻转影响原子核，研究人员不断用绿色激光重置电子的自旋，本质上是在不需要相互作用时关闭电子和原子核之间的相互作用。
德国乌尔姆大学的固态量子物理学家 Fedor Jelezko 说：“为了让事情变得更好，你反而让它变得更糟。”他没有参与这项新研究。“如果电子翻转得非常快，原子核将不再看到它。它会产生一些不波动的平均场。”
通过使用这种策略，以及一系列射频脉冲来抑制与钻石中其他碳核的相互作用，研究人员能够在环境温度下存储量子信息近两秒钟。这与之前的实验相比是一个重大飞跃，之前的实验中，单个量子比特的存储时间通常以微秒为单位进行测量。“以前真的没有如此长相干时间的例子，除非可能是在捕获的原子或离子中，”耶莱兹科说。而且，对于某些应用来说，那些实验室装置所需的真空阱和激光冷却设备将过于复杂。
罗切斯特大学的光学物理学家 Nick Vamivakas 补充说：“在室温下演示具有秒级存储时间的单量子比特量子存储器当然令人兴奋。”他没有参与该研究团队。“我不知道还有其他正在为量子信息目的而研究的系统能够展示秒级时间尺度的存储寿命。”
库茨科补充说，通过稳定钻石的温度以消除限制量子比特寿命的热漂移，应该可以获得更好的存储时间。进一步纯化钻石，从而减少可能与量子比特相互作用的次级碳 13 杂质的数量，也将有所帮助。卢金指出，通过这些改进，甚至可能实现以小时为单位的存储时间。“我们确实在室温下拥有一个出色的量子比特，它结合了存储、控制和测量——所有这三件事，”他说。“我们实际上对这项新进展感到非常兴奋。”