科學家發現使量子態壽命延長10,000倍的方法

2020-08-27 工程學習


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。圖片來源：芝加哥大學

如果我們能夠利用它，量子技術將帶來新的可能性。但是首先，科學家需要哄騙量子系統，使其保持軛狀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修改方法，該方法可以使量子系統比以前更長的時間（或「相干」）保持10,000倍。儘管科學家在稱為固態量子位的一類特定量子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《科學》雜誌上。

研究的主要作者，分子工程學的劉氏家族教授，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：「這一突破為量子科學的激動人心的新研究途徑奠定了基礎。」 「這項發現的廣泛適用性，加上非常簡單的實現方式，使得這種強大的一致性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轉化為諸如幾乎無法入侵的網絡或功能極其強大的計算機之類的技術。美國能源署公布未來的量子網絡的藍圖在UChicago 7月23日，但基本的工程挑戰的事件依然存在：量子狀態需要一個非常安靜，穩定的操作空間，因為它們很容易被幹擾的背景噪聲來自何處振動，溫度變化或雜散電磁場。

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。另一種技術涉及使所有材料儘可能純，這可能是昂貴的。芝加哥大學的科學家採取了不同的策略。

該論文的第一作者，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。」


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。圖片來源：芝加哥大學

與用於控制量子系統的常規電磁脈衝相結合，研究小組應用了附加的連續交變磁場。通過精確調節該場，科學家可以迅速旋轉電子自旋，並使系統「消除」其餘的噪聲。

苗說：「要了解這一原理，就像坐在旋轉木馬上，周圍的人們大喊大叫。」 「當行駛靜止時，您可以聽到完美的聲音，但是如果您快速旋轉，噪音就會模糊到背景中。」

這個很小的變化使系統能夠保持高達22毫秒的相干性，比未經修改的系統高四個數量級，並且比以前報導的任何電子自旋系統都長。（作為比較，眨眼大約需要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，所有這些通常會破壞量子相干性。

科學家們說，這種簡單的修複方法幾乎可以釋放量子技術各個領域的發現。

「這種方法為擴展性創造了一條途徑，」 Awschalom說。「這應該使在電子自旋中存儲量子信息變得切實可行。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（例如超導量子位和分子量子系統）中具有類似的效果。對於這樣的工程突破來說，這種多功能性是不尋常的。

苗說：「許多量子技術的候選者被擱置了，因為它們不能長時間保持量子相干性。」 「現在我們可以通過這種方式來大幅度提高連貫性，可以對這些人進行重新評估。

他補充說：「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後勤工作非常簡單。」

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