“量子 CD”数据存储量竟超当今光盘千倍！

科学家们提出了一种新型的数据存储设备，其利用了 量子力学 的强大特性。

这种超高密度的光学存储设备由众多存储单元构成，每个单元都包含稀土元素，嵌入在一种固体材料中——在这种情况下，是氧化镁（MgO）晶体。稀土元素会发射光子，即光粒子，这些光子会被附近的“量子缺陷”——晶体格中的空位（其中包含未结合的电子）所吸收，这些电子会因光吸收而被激发。

当前的光学存储方法，如 CD 和 DVD，受到光的衍射极限的限制，这意味着存储在设备上的单个数据的大小不能小于读写数据的激光波长。然而，科学家们假设，通过采用一种被称为“波长复用”的技术，也就是结合使用略有不同波长的光，光盘能够在相同区域内存储更多数据。

现在，研究人员提出，氧化镁能够和窄带稀土发射器相互穿插分布。这些元素在特定波长发光，它们能够紧密地组合在一起。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研究结果。

“我们搞明白了缺陷之间的能量转移成为一种极其高效的光学存储方法背后的基本物理原理是怎样的，”该研究的合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院的教授朱利亚·加利在一份声明中说。

加利进一步说道，这项研究模拟了光在纳米尺度上的传播情况，以了解能量如何在材料内的稀土发射器和量子缺陷之间移动，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影响。但他们还没研究当光源非常接近时，比如距离仅有几纳米（百万分之一毫米）的嵌入的窄带稀土发射器，量子缺陷的行为如何变化。

光子要比传统的激光光子小很多。

相比之下，传统的光学或者近红外激光发射器所发出的光子，通常在 500 纳米至 1 微米（千分之一毫米）这个范围。

所以，这项新研究或许能带来比以往密度高出 1000 倍的数据存储设备。

科学家们发现，当量子缺陷吸收了附近稀土元素所发出的窄带能量时，它们就从基态被激发，进而翻转到了自旋态。

由于自旋态的转变很难逆转，所以这些缺陷有可能在有用的时间段内存储数据——尽管科学家表示还需要进一步开展工作来测量这一情况。

另外，窄带稀土发射器产生的光波长更短，这就让数据存储的方法比其他光学方法更紧凑了。

大多数基于量子的技术在接近绝对零度的环境中运行，这种环境能够抑制退相干和去相位现象，也就是量子系统中信息的损坏和丢失。

若要使基于此项研究的技术具有可行性，它得在室温下运行。

若要开始将其应用于开发光学存储器，我们仍需回答有关这种激发态能维持多久以及我们怎样读出数据的其他基本问题，

共同作者斯瓦纳巴·查塔拉吉，身为阿贡国家实验室的博士后研究员，在声明中说道。

但理解这种近场能量转移过程乃是迈出的重大第一步。