“量子 CD”數據存儲量竟超當今光盤千倍！

科學家們提出了一種新型的數據存儲設備，其利用了 量子力學 的強大特性。

這種超高密度的光學存儲設備由衆多存儲單元構成，每個單元都包含稀土元素，嵌入在一種固體材料中——在這種情況下，是氧化鎂（MgO）晶體。稀土元素會發射光子，即光粒子，這些光子會被附近的“量子缺陷”——晶體格中的空位（其中包含未結合的電子）所吸收，這些電子會因光吸收而被激發。

當前的光學存儲方法，如 CD 和 DVD，受到光的衍射極限的限制，這意味着存儲在設備上的單個數據的大小不能小於讀寫數據的激光波長。然而，科學家們假設，通過採用一種被稱爲“波長複用”的技術，也就是結合使用略有不同波長的光，光盤能夠在相同區域內存儲更多數據。

現在，研究人員提出，氧化鎂能夠和窄帶稀土發射器相互穿插分佈。這些元素在特定波長髮光，它們能夠緊密地組合在一起。科學家們於 8 月 14 日在《物理評論研究》雜誌上發表了他們的研究結果。

“我們搞明白了缺陷之間的能量轉移成爲一種極其高效的光學存儲方法背後的基本物理原理是怎樣的，”該研究的合著者、芝加哥大學普利茲克分子工程學院的教授朱利亞·加利在一份聲明中說。

加利進一步說道，這項研究模擬了光在納米尺度上的傳播情況，以瞭解能量如何在材料內的稀土發射器和量子缺陷之間移動，以及量子缺陷如何存儲捕獲的能量。

科學家們已經瞭解了固體材料中的量子缺陷如何與光相互影響。但他們還沒研究當光源非常接近時，比如距離僅有幾納米（百萬分之一毫米）的嵌入的窄帶稀土發射器，量子缺陷的行爲如何變化。

光子要比傳統的激光光子小很多。

相比之下，傳統的光學或者近紅外激光發射器所發出的光子，通常在 500 納米至 1 微米（千分之一毫米）這個範圍。

所以，這項新研究或許能帶來比以往密度高出 1000 倍的數據存儲設備。

科學家們發現，當量子缺陷吸收了附近稀土元素所發出的窄帶能量時，它們就從基態被激發，進而翻轉到了自旋態。

由於自旋態的轉變很難逆轉，所以這些缺陷有可能在有用的時間段內存儲數據——儘管科學家表示還需要進一步開展工作來測量這一情況。

另外，窄帶稀土發射器產生的光波長更短，這就讓數據存儲的方法比其他光學方法更緊湊了。

大多數基於量子的技術在接近絕對零度的環境中運行，這種環境能夠抑制退相干和去相位現象，也就是量子系統中信息的損壞和丟失。

若要使基於此項研究的技術具有可行性，它得在室溫下運行。

若要開始將其應用於開發光學存儲器，我們仍需回答有關這種激發態能維持多久以及我們怎樣讀出數據的其他基本問題，

共同作者斯瓦納巴·查塔拉吉，身爲阿貢國家實驗室的博士後研究員，在聲明中說道。

但理解這種近場能量轉移過程乃是邁出的重大第一步。