使量子態壽命延長10000倍的相干保護技術

2020-08-17 煎蛋

如果我們能夠為我們所用，量子技術將帶來驚人可能性。但是首先，需要科學家哄騙量子系統，使其保持共軛狀態的時間超過百萬分之一秒。

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方法，讓量子(相干)系統持續的時間延長了10000倍。儘管科學家只在被稱為固態量子位的特定系統上測試了他們的技術，但他們認為該技術應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。

該研究於8月13日發表在Science上。

主要作者，分子工程學教授，阿貢國家實驗室的高級科學家，芝加哥量子交易所的負責人戴維·奧沙洛姆(David Awschalom)說：「這一突破為令人興奮的量子科學的新研究途徑奠定了基礎。這項發現的廣泛適用性以及非常簡單的實現方式，可以影響到量子工程的許多方面。它使以前被認為不切實際的項目成為可能。」

在原子的層面上，世界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賦予我們幾乎無法破解的網絡或功能極其強大的計算機之類的技術。但基本的工程挑戰依然無法逾越：量子狀態需要一個非常安靜，穩定的操作空間，因為它們很容易受到振動，溫度變化或雜散電磁場等背景噪聲的影響。

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。一種常見的方法是將系統與嘈雜的環境物理隔離，但這可能很麻煩且複雜。另一種技術是提高原材料的純度，但相關工藝往往非常昂貴。

芝加哥大學的科學家採取了不同的策略。

論文的第一作者，博士後研究員凱文·苗說：「採用這種方法，我們不會試圖消除周圍的噪音；相反，我們會欺騙系統，使其認為沒有噪音。」

與控制量子系統的常規電磁脈衝結合，研究小組應用附加的連續交變磁場。通過精確調節場強，科學家可以迅速旋轉電子的自旋方向，並使系統「消除」額外的噪聲。

「這一原理，就像坐在旋轉木馬上，周圍的人們大喊大叫。當木馬靜止時，您可以聽到周遭的聲音，但是如果快速旋轉起來，噪音就會模糊到背景中。」

這一微弱變化使系統能夠保持高達22毫秒的相干性，比原始時長高4個數量級，比以前的記錄都要久。(作為比較，眨眼大約是350毫秒)。該系統幾乎可以完全消除某些形式的溫度波動，物理振動和電磁噪聲。

科學家們說，這種簡單的降噪方法幾乎可以釋放量子技術在各領域的巨大潛力。

「這種方法為擴展性創造了一條途徑，在電子自旋中存儲量子信息的思路因此變得切實可行。存儲時間的延長將使量子計算機中的操作更加複雜，令量子信息在網絡中傳播更長的距離。」

儘管他們僅在碳化矽的固態量子系統中進行了實驗，但科學家們認為，其他類型的量子系統(例如超導量子位和分子量子系統)應該沒有本質的不同。對於這樣的工程突破來說，如此多功能性是不尋常的。

苗說：「最好的部分是，它非常容易實現。背後的機制很複雜，但是增加交變磁場的後勤工作非常簡單。」

更多信息：KC Miao等人，固態量子比特中的通用相干保護，《科學》，2020年8月13日。DOI ：10.1126/science.abc5186

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