科学家发现简单的创新可以使量子态的寿命延长10,000倍

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一组科学家宣布发现了一种简单的修改方法，该方法可以使量子系统保持运转（或“相干”）的时间比以前延长了10,000倍。

简单的创新有望为量子科学打开多种新途径。

如果我们能够利用它，量子技术将带来奇妙的新可能性。但是首先，科学家需要哄骗量子系统，使其保持轭状状态的时间超过百万分之一秒。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一组科学家宣布发现了一种简单的修改方法，该方法可以使量子系统保持运转（或“相干”）的时间比以前延长了10,000倍。尽管科学家在称为固态量子位的一类特殊的量子系统上测试了他们的技术，但他们认为该技术应适用于许多其他种类的量子系统，从而可能彻底改变量子通信，计算和传感。

该研究于2020年8月13日在《科学》杂志上发表。

博士后研究员凯文·缪（Kevin Miao）在芝加哥大学普利兹克分子工程学院从事量子研究。

研究的主要作者，分子工程学的刘氏家族教授，阿贡国家实验室的高级科学家，芝加哥量子交易所的负责人戴维·奥沙洛姆（David Awschalom）说：“这一突破为量子科学的激动人心的新研究途径奠定了基础。”“这项发现的广泛适用性以及非常简单的实现方式，使得这种强大的一致性可以影响量子工程的许多方面。它提供了以前认为不切实际的新研究机会。”

在原子的层面上，世界是根据量子力学的规则运行的，这与我们在日常生活中所看到的完全不同。这些不同的规则可以转化为诸如几乎无法入侵的网络或功能极其强大的计算机之类的技术。美国能源部于7月23日在美国芝加哥举行的一次活动中发布了未来量子互联网的蓝图。但是基本的工程挑战仍然存在：量子态需要一个非常安静，稳定的空间来操作，因为它们容易受到来自振动，温度变化或杂散电磁场的背景噪声的干扰。

因此，科学家试图找到使系统保持尽可能长的一致性的方法。一种常见的方法是将系统与嘈杂的环境物理隔离，但这可能很麻烦且复杂。另一种技术涉及使所有材料尽可能纯，这可能是昂贵的。芝加哥大学的科学家采取了不同的策略。

“采用这种方法，我们不会尝试消除周围的噪音；相反，我们“欺骗”该系统，使其认为没有噪音。该论文的第一作者博士后研究员Kevin Miao说。

从左起：科学家Kevin Miao，Chris Anderson和Alexandre Bourassa在芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Awschalom实验室从事量子研究。

与用于控制量子系统的常规电磁脉冲一道，研究小组应用了一个额外的连续交变磁场。通过精确地调节该场，科学家可以迅速旋转电子自旋，并使系统“消除”其余的噪声。

苗解释说：“要了解这一原理，就像坐在旋转木马上，人们在你周围大喊大叫。”“当骑行静止时，您可以听到完美的声音，但是如果您快速旋转，噪音就会模糊到背景中。”

这个很小的变化使系统可以保持高达22毫秒的相干性，比未经修改的系统高四个数量级，并且比以前报道的任何电子自旋系统要长得多。（作为比较，眨眼大约需要350毫秒）。该系统几乎可以完全消除某些形式的温度波动，物理振动和电磁噪声，所有这些通常会破坏量子相干性。

科学家们说，这种简单的修复方法几乎可以释放量子技术各个领域的发现。

“这种方法为扩展性创造了一条途径，” Awschalom说。“这应该使在电子自旋中存储量子信息成为现实。延长的存储时间将使量子计算机中的操作更加复杂，并使从基于自旋的设备传输的量子信息能够在网络中传播更长的距离。”

“采用这种方法，我们不会尝试消除周围的噪音；相反，我们“欺骗”系统，使其认为没有噪音。—苗文凯，博士后研究员

尽管他们的测试是在使用碳化硅的固态量子系统中进行的，但科学家们认为，该技术在其他类型的量子系统（例如超导量子位和分子量子系统）中也应具有类似的效果。对于这样的工程突破来说，这种多功能性是不寻常的。

苗说：“许多量子技术的候选人被搁置了，因为它们不能长时间保持量子相干性。”“既然我们有了这种方法来大大提高一致性，就可以对其进行重新评估。

他补充说：“最好的部分是，它非常容易实现。”“其背后的科学错综复杂，但是添加交变磁场的后勤工作非常简单。”

研究中的其他芝加哥科学家包括研究生Joseph Blanton，博士后研究员Chris Anderson，研究生Alexandre Bourassa和Alex Crook以及Argonne科学家Gary Wolfowicz。日本国立量子与放射科学技术研究所的安倍弘（Hiroshi Abe）和大岛武史（Takeshi Ohshima）也是其中的合著者。该团队使用了Pritzker纳米加工工厂的资源。该团队正在与Polsky创业与创新中心合作，将发现商业化。

参考：Kevin C. Miao，Joseph P. Blanton，Christopher P. Anderson，Alexandre Bourassa，Alexander L. Crook，Gary Wolfowicz，Hiroshi Abe，Takeshi Ohshima和David D. Awschalom撰写的“固态量子比特中的通用相干性保护”，13 2020年8月，科学.DOI：
10.1126 / science.abc5186

资金：DARPA，空军科学研究所，海军研究室，国家科学基金会，日本科学促进会。