新方法使量子系統穩定時間延長10000倍

2020-08-14 腦洞網絡版

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的一組科學家宣布發現了一種簡單的修改方法，該方法可以使量子系統保持運轉（或「相干」）的時間比以前延長了10,000倍。雖然這種技術是在一種特定量子系統上測試的，但他們認為該技術可以適用於許多其他種類的量子系統，從而可能徹底改變量子通信，計算和傳感。

概念圖

該研究於8月13日發表在《科學》雜誌上。

研究的主要作者說：「非常讓人興奮，這一突破為量子科學開闢新研究途徑奠定了基礎。」 「這項技術有廣泛的適用性和簡單的實現方法，使這種技術可以影響量子工程的許多方面。它使以前認為不切實際的新研究機會成為可能。」

在原子的層面上，宏觀按照量子力學的規則運行，與我們日常生活中所看到的完全不同。這些不同的規則可以轉化為技術，例如入侵網絡或功能極其強大的計算機。美國能源部在7月23日於美國芝加哥舉行的一次活動中發布了未來量子領域網絡的藍圖。但是，基本的技術挑戰仍然存在，量子領域需要一個極其安靜，穩定的空間來操作，因為它們很容易受到來自背景噪聲的幹擾振動，溫度變化或電磁場的幹擾。

因此，科學家試圖找到使系統儘可能長時間保持一致的方法。現在一種常見的方法是將系統與嘈雜的環境隔離，但這種方法實現非常麻煩而且複雜。另一種方法是所有使用的材料儘可能純靜，來保證量子一直處於穩定的空間進行，但這兩種方法都是非常昂貴的。芝加哥大學的科學家採取了不同的策略。

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該論文的第一作者，博士後研究員凱文·苗說：「這種方法，我們不會試圖消除周圍的噪音；相反，我們會「欺騙」量子系統，使其認為沒有環境的幹擾。與用於控制量子系統的常規電磁脈衝一道，該團隊應用了額外的連續交變磁場。通過精確地調節該場，科學家可以迅速旋轉電子自旋，並使系統「消除」其餘的噪聲。」

凱文·苗說：「這項技術的原理，就像坐在旋轉木馬上，周圍的人們大喊大叫，當木馬靜止時，您可以聽到周圍嘈雜的聲音，但是如果木馬快速旋轉，噪音就會模糊到背景中。」

這個微小的變化使量子系統能夠保持高達22毫秒的相干性，比未經修改的量子系統提高四個數量級，並且比以前報導的任何電子自旋系統都長。（大家可能不太了解22毫秒的概念，作為比較，人眨眼大約需要350毫秒）。該系統幾乎可以完全消除溫度波動，物理振動和電磁噪聲，提高量子系統穩定時間。


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科學家們說：

「這種簡單的修複方法可以使量子技術延伸到更多領域。「

「這種方法創造了可擴展性的途徑。」

「這使得在電子自旋中存儲量子信息變得更加可行。延長的存儲時間將使量子計算機中的操作更加複雜，並使從基於自旋的設備傳輸的量子信息在網絡中傳播更長的距離。」

「儘管他們的測試是在使用碳化矽的固態量子系統中進行的，但科學家們認為，該技術應該在其他類型的量子系統（例如超導量子領域和分子量子系統）中具有類似的效果。對於這些的工程突破來說，提供了更多的可能性。」

凱文·苗說：「由於無法長期保持量子相干性，許多量子技術被擱置了。現在我們可以通過這種方式來大幅度提高連貫性，可以對這些量子技術進行重新評估。「

他補充說：

「這項技術最好的部分是，這非常容易做到。」

「它背後的科學很複雜，但是增加交變磁場的工作非常簡單。」

來源：

芝加哥大學

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