北京時間 8 月 19 日消息，在量子科學領域，一些簡單的創新或許能帶來更多的可能性。如果我們可以操縱量子技術，人類的生活可能會發生翻天覆地的變化。但首先，科學家必須使量子系統維持更長的時間，而不是僅僅百萬分之幾秒。
美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究人員宣布，他們發現了一種簡單的調整方法，可以使量子系統的運行時間——或者說 「相干」時間——比之前延長 10000 倍。研究人員在一種名為 「固態量子位」的特殊量子系統上測試了這項技術，但他們認為，該技術應該能適用於許多其他類型的量子系統，從而可能徹底改變量子通信、計算和傳感技術。這項研究的結果發表在 8 月 13 日的《科學》（Science）雜誌上。
▲ 從左至右：芝加哥大學普利茲克分子工程學院的科學家凱文·苗、克裡斯·安德森和亞歷山大·布拉沙在大衛·奧沙洛姆的實驗室裡進行量子研究
「這項突破奠定了基礎，為量子科學研究開闢了令人興奮的新途徑，」分子工程學院的大衛 · 奧沙洛姆（David Awschalom）說，「這一發現的廣泛適用性，加上非常簡單的實現方法，使這種強大的相干性影響到量子工程的許多方面。一些此前認為不切實際的研究也有機會成為可能。」奧沙洛姆也是阿爾貢國家實驗室的資深科學家，同時是芝加哥量子交易所（Chicago Quantum Exchange）的主管。
世界在原子水平是根據量子力學的規則來運作的，與我們日常生活中所看到的一切迥然不同。這些規則可以轉化為非常具有未來感的新技術，比如無法侵入的網絡，或是極其強大的計算機。今年 7 月 23 日，美國能源部在芝加哥大學發布了未來量子網際網路的藍圖。然而，研究人員依然要面對最基本的工程挑戰：量子態需要在一個極其安靜、穩定的空間裡才能運行，因為它們很容易受到來自振動、溫度變化或雜散電磁場等背景噪音的幹擾。
因此，科學家試圖找到方法來保持量子系統的相干狀態，保持的時間越長越好。一種常見的方法是物理隔離，即通過物理方法將量子系統與嘈雜的環境隔絕，但這種方法可能十分笨拙且複雜。另一種技術是確保量子系統中的所有材料儘可能純淨，但這麼做的成本十分高昂。芝加哥大學的研究人員採取了不同的策略。
「在這種方法中，我們不是試圖消除環境中的噪聲，」該論文的第一作者、博士後研究者凱文 · 苗（Kevin Miao，音譯）說，「相反，我們『欺騙』這個系統，使它認為自己沒有受到噪聲影響。」
研究團隊採用了額外的連續交變磁場，與常用的電磁脈衝相結合，以控制量子系統。通過精確地調節這個磁場，研究人員可以加快電子的自旋，從而使系統能夠 「屏蔽」其餘的噪聲。
「這其中的原理，可以想像為坐在旋轉木馬上，周圍的人都在大喊大叫，」凱文 · 苗解釋道，「當木馬靜止時，你可以很清楚地聽到周圍的噪聲，但如果你快速旋轉，這些噪聲就會模糊，變成背景。」
這一微小的調整使量子系統的相干狀態保持了 22 毫秒，比未經調整的系統保持時間高了 4 個數量級，並且遠遠高於之前報導的電子自旋系統。作為參照，我們眨眼的時間大約為 350 毫秒。這個量子系統幾乎能完全屏蔽掉某些形式的溫度波動、物理振動和電磁噪聲，這些都會破壞量子相干性。
研究人員表示，這種簡單的調整或許將推動量子技術在幾乎所有領域取得新發現。「這種方法開闢了一條通向可擴展性的道路，」奧沙洛姆說，「通過該方法，利用電子自旋存儲量子信息將成為現實。延長存儲時間將使量子計算機能夠進行更複雜的操作，並使基於自旋設備傳輸的量子信息在網絡中傳播更長的距離。」
儘管研究人員的測試是在使用碳化矽的固態量子系統中進行的，但他們相信，這項技術在其他類型的量子系統中應該也會產生類似的效果，比如在超導量子比特和分子量子系統中。對於一項工程突破而言，這種多功能性水平是很不尋常的。
「有很多候選的量子技術都被放棄了，因為它們不能長時間保持量子相干性，」凱文 · 苗說，「既然我們有了這種方法來大幅增加保持相干性的時間，我們就可以重新評估這些相干性。」他還補充道，最令人興奮的是，這非常容易做到，「這背後的科學是錯綜複雜的，但添加一個交變磁場的邏輯卻十分簡單直接」。