量子态仅能维持百万分之几秒 简单方法可以延长10000倍

  从左至右:芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家凯文·苗、克里斯·安德森和亚历山大·布拉沙在大卫·奥沙洛姆的实验室里进行量子研究

  新浪科技讯 北京时间8月19日消息,在量子科学领域,一些简单的创新或许能带来更多的可能性。如果我们可以操纵量子技术,人类的生活可能会发生翻天覆地的变化。但首先,科学家必须使量子系统维持更长的时间,而不是仅仅百万分之几秒。

  美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员宣布,他们发现了一种简单的调整方法,可以使量子系统的运行时间——或者说“相干”时间——比之前延长10000倍。研究人员在一种名为“固态量子位”的特殊量子系统上测试了这项技术,但他们认为,该技术应该能适用于许多其他类型的量子系统,从而可能彻底改变量子通信、计算和传感技术。这项研究的结果发表在8月13日的《科学》(Science)杂志上。

  “这项突破奠定了基础,为量子科学研究开辟了令人兴奋的新途径,”分子工程学院的大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)说,“这一发现的广泛适用性,加上非常简单的实现方法,使这种强大的相干性影响到量子工程的许多方面。一些此前认为不切实际的研究也有机会成为可能。”奥沙洛姆也是阿尔贡国家实验室的资深科学家,同时是芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)的主管。

  世界在原子水平是根据量子力学的规则来运作的,与我们日常生活中所看到的一切迥然不同。这些规则可以转化为非常具有未来感的新技术,比如无法侵入的网络,或是极其强大的计算机。今年7月23日,美国能源部在芝加哥大学发布了未来量子互联网的蓝图。然而,研究人员依然要面对最基本的工程挑战:量子态需要在一个极其安静、稳定的空间里才能运行,因为它们很容易受到来自振动、温度变化或杂散电磁场等背景噪音的干扰。

  因此,科学家试图找到方法来保持量子系统的相干状态,保持的时间越长越好。一种常见的方法是物理隔离,即通过物理方法将量子系统与嘈杂的环境隔绝,但这种方法可能十分笨拙且复杂。另一种技术是确保量子系统中的所有材料尽可能纯净,但这么做的成本十分高昂。芝加哥大学的研究人员采取了不同的策略。

  “在这种方法中,我们不是试图消除环境中的噪声,”该论文的第一作者、博士后研究者凯文·苗(Kevin Miao,音译)说,“相反,我们‘欺骗’这个系统,使它认为自己没有受到噪声影响。”

  研究团队采用了额外的连续交变磁场,与常用的电磁脉冲相结合,以控制量子系统。通过精确地调节这个磁场,研究人员可以加快电子的自旋,从而使系统能够“屏蔽”其余的噪声。

  “这其中的原理,可以想象为坐在旋转木马上,周围的人都在大喊大叫,”凯文·苗解释道,“当木马静止时,你可以很清楚地听到周围的噪声,但如果你快速旋转,这些噪声就会模糊,变成背景。”

  这一微小的调整使量子系统的相干状态保持了22毫秒,比未经调整的系统保持时间高了4个数量级,并且远远高于之前报道的电子自旋系统。作为参照,我们眨眼的时间大约为350毫秒。这个量子系统几乎能完全屏蔽掉某些形式的温度波动、物理振动和电磁噪声,这些都会破坏量子相干性。

  研究人员表示,这种简单的调整或许将推动量子技术在几乎所有领域取得新发现。“这种方法开辟了一条通向可扩展性的道路,”奥沙洛姆说,“通过该方法,利用电子自旋存储量子信息将成为现实。延长存储时间将使量子计算机能够进行更复杂的操作,并使基于自旋设备传输的量子信息在网络中传播更长的距离。”

  尽管研究人员的测试是在使用碳化硅的固态量子系统中进行的,但他们相信,这项技术在其他类型的量子系统中应该也会产生类似的效果,比如在超导量子比特和分子量子系统中。对于一项工程突破而言,这种多功能性水平是很不寻常的。

  “有很多候选的量子技术都被放弃了,因为它们不能长时间保持量子相干性,”凯文·苗说,“既然我们有了这种方法来大幅增加保持相干性的时间,我们就可以重新评估这些相干性。”他还补充道,最令人兴奋的是,这非常容易做到,“这背后的科学是错综复杂的,但添加一个交变磁场的逻辑却十分简单直接”。(任天)

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