科學家玩「旋轉木馬」，玩出了一個比特之最

當一臺量子設備問世時，我們總是會去關心它的量子比特數量、連通性、門的測量誤差，相干時間等，因為這些相關參數決定了量子計算機的性能。

其中，相干時間便是其中一個非常重要的指標。8月13發表在《Science》[1]的一篇文章，使用了一個簡便的方法，讓量子態的相干性提高了上萬倍。

圖1｜論文（來源：Science）

相干時間是「魂」

所謂相干時間，指的是量子比特保持其疊加狀態的持續時間的長短。在進行量子計算實驗時，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保證量子操作的保真度。量子比特中相干性的喪失，將導致量子比特的疊加態坍縮為經典態。

當然，這可能是由於有意測量量子比特，也可能是由於系統中的噪聲或故障所導致。這也是為什麼研究人員在那些超低溫的制冷機和真空室中實驗，盡力保護量子比特不受外界影響的原因。

儘管研究人員已經足夠努力，噪聲依然會導致許多計算錯誤，而這將阻礙量子計算機進一步處理更加大型的計算問題。雖然一些量子算法可以糾正一部分錯誤，並且添加更多量子輔助比特也會有一定的幫助。但是，它可能需要數千個標準量子比特才能創建一個高度可靠的「邏輯」量子比特。

所以，相干時間對於量子計算機性能而言，是非常重要的一個參數，相干時間越長，則運行效率越高。相干時間的增加便是探尋大規模量子計算機道路的一個關鍵所在。

10000倍的提升

近日，芝加哥大學普利茲克分子工程學院的一組科學家發現了一種方法，可以使量子比特的相干時間延長10000倍，當下，他們已經成功在一種碳化矽的固態量子系統中驗證了他們的方法。

但令人興奮的是科學家們認為，該方法將適用於所有的量子系統，比如超導量子系統，或分子量子系統。

圖2｜芝加哥大學研究人員從事量子研究（來源：David Awschalom）

增加的原理

通常，延長相干時間方法之一是將系統與嘈雜的環境物理隔離，但這可能很麻煩且複雜，另一種是使所有的材料儘可能的純淨，但是這又會非常的昂貴。芝加哥大學的科學家們採取了不同的策略。

論文的第一作者表示，他們所採用的方法不是消除周圍的噪聲，而是「欺騙」系統以使其認為沒有噪聲。

他們所採用的方法簡便，通過與用於控制量子系統的常規電磁脈衝相結合，施加了一個額外的連續交變磁場，通過精確地調節該磁場，科學家可以迅速旋轉電子自旋，並使系統「屏蔽」其餘的噪聲。

這一原理就好比，筆者坐在旋轉木馬上，周圍人們在大喊大叫。當旋轉木馬停下來時，可以聽到大家清晰的聲音，但是如果快速旋轉，「噪聲」就會變得模糊不清了。

這個方法可以使系統保持高達22毫秒相干時間，與原系統相比提高了4個數量級，而且其相干時間比之前報導的任何電子自旋系統都要長得多。該系統幾乎能夠完全消除某些形式的溫度波動，物理振動和電磁噪聲，而這些因素通常會破壞量子相干性。

影響

這種方法創造了量子比特可擴展性的途徑，可能使在電子自旋中存儲量子信息成為現實。相干時間的增加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能夠在網絡中傳播更長的距離，這個簡單的方法開啟量子技術幾乎所有領域的新的可能。

解決了相干性問題，最終將徹底的改變量子通信、量子計算和量子傳感。

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