“量子 CD”可容纳比当今光盘多 1000 倍的数据

一项新提案借鉴了量子力学原理和一种称为“波长复用”的技术来假设一种超密集的新存储格式。

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科学家提出了一种新型数据存储设备，它利用了量子力学的强大特性。

超高密度光学存储器件将由许多存储单元组成，每个存储单元都包含嵌入固体材料（在本例中为氧化镁（MgO）晶体）中的稀土元素。稀土元素发射光子或光粒子，这些光子或光粒子被附近的“量子缺陷”吸收，这些缺陷是晶格中含有未键合电子的空位，这些电子被光吸收激发。

目前的CD、DVD等光存储器存储方式受到光的衍射极限的限制，这意味着设备上存储的单条数据不能小于激光读写数据的波长。然而，科学家们假设，通过使用一种称为“波长复用”的技术，光盘可以在同一区域内保存更多数据，其中组合使用稍微不同波长的光。

现在，研究人员提出，MgO 中可以散布窄带稀土发射体。这些元素发射特定波长的光，这些光可以紧密地堆积在一起。科学家们于 8 月 14 日在《物理评论研究》杂志上发表了他们的发现。

研究合著者、芝加哥大学普利兹克分子学院教授朱利亚·加利 (Giulia Galli) 表示：“我们研究出了缺陷之间的能量转移如何成为极其高效的光存储方法背后的基础物理原理。”工程，在一份声明中说道。

加利补充说，这项研究模拟了光在纳米尺度上的传播方式，以了解能量如何在稀土发射体和材料内的量子缺陷之间移动，以及量子缺陷如何存储捕获的能量。

科学家们已经了解了固体材料中的量子缺陷如何与光相互作用。但他们还没有研究当光源非常接近时量子缺陷的行为如何变化，例如嵌入几纳米（百万分之一毫米）远的窄带稀土发射器。

这些光子比传统的激光光子小得多。相比之下，来自传统光学或近红外激光发射器的光子往往为 500 nm 至 1 微米（千分之一毫米）。因此，这项新研究可能会导致数据存储设备的密度比以前高 1,000 倍。

科学家们发现，当量子缺陷吸收附近稀土元素发射的窄带能量时，它们会从基态激发并转变为自旋态。这位科学家表示，由于自旋态转变很难逆转，这些缺陷可能会在一段有用的时间内存储数据——尽管需要进一步的工作来测量这一点。此外，窄带稀土发射器产生更短波长的光，这使得比其他光学方法更密集的数据存储方法成为可能。

大多数基于量子的技术都在接近绝对零的情况下运行，这抑制了退相干和相移——量子系统中信息的损坏和丢失。为了使基于这项研究的技术可行，它需要在室温下运行。

“为了开始将其应用于开发光学存储器，我们仍然需要回答更多基本问题，例如这种激发态持续多久以及我们如何读取数据，”合著者 Swarnabha Chattaraj，博士后研究员阿贡国家实验室在声明中说。 “但是了解这种近场能量转移过程是巨大的第一步。”