新技术延长了量子态的持续时间

研究人员的装置是蚀刻成钻石的阶梯状结构。梯子的“梯级”之间的间隙就像镜子一样，暂时捕获了梯子中心发出的光线。

通过使用嵌入合成钻石中嵌入的氮原子的量子位设计，一组研究人员开发了一种新技术，该技术极大地延长了脆弱量子态的持续时间。

量子计算机是实验性设备，有望在某些计算问题上实现指数级加速。在经典计算机中的一位可以表示0或1的情况下，量子位或qubit可以同时表示0和1的信息，让量子计算机可以并行探索多个问题的解决方案。但是实际上，这种量子态的“叠加”很难维持。

在本周发表在《自然通讯》上的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员和布鲁克海文国家实验室以及合成金刚石公司Element Six的同事描述了一种新设计，该新设计在实验中将一种有希望的量子比特的叠加时间延长了一百倍。

从长远来看，这项工作可能会导致实用的量子计算机。但是从短期来看，它可以无限期地扩展量子安全通信链路，这是量子信息技术的商业应用，目前其范围不到100英里。

研究人员的量子位设计使用了嵌入合成钻石中的氮原子。当氮原子恰好位于钻石晶格间隙附近时，它们会产生“氮空位”，这使研究人员能够光学控制单个电子和原子核的磁取向或“自旋”。旋转可以是向上，向下或两者的叠加。

迄今为止，最成功的量子计算演示涉及被困在磁场中的原子。麻省理工学院电气工程和计算机科学的Jamieson职业发展助理教授，新论文的通讯作者Dirk Englund说：“但是，将原子保持在真空中是困难的，因此，人们一直在努力将其捕获在固体中。” 。“特别是，您需要透明的固体，以便可以将光线进出。晶体比许多其他固体（例如玻璃）要好，因为它们的原子很好且规则，而且电子结构清晰。在所有晶体中，钻石是捕获原子的特别好宿主，因为事实证明，钻石的核中大部分没有磁偶极子，这会在电子自旋中引起噪声。”

轻松对话

在散装钻石中，氮空位中自旋的叠加可以持​​续近一秒钟。但是为了彼此通信，氮空位量子位必须能够通过光或光子粒子传输信息。这需要将空位放置在光学谐振器内部，该谐振器会暂时捕获光子。

以前，由光谐振器内部的氮空位组成的器件表现出的叠加时间仅为大约一微秒。研究人员的新设计可以将时间提高到200微秒。

但是，对于量子计算应用程序而言，仅使单个量子位保持重叠是不够的。它们的量子态也需要“纠缠”，这样，如果一个量子位落在叠加之外（如果它的取值为0或1），那么它将约束其他量子位的可能状态。

在使用光在氮空位量子位之间移动信息的系统中，当量子位发出的光粒子同时到达光学组件（例如分束器）时，就会发生纠缠。对于较早的系统，通常需要花费几分钟来产生量子位之间的纠缠。对于新系统，它应该花费毫秒。

那仍然太久了：实际的设备将需要纠缠光子，然后将其相应的量子比特掉出叠加或“解干”。Englund说：“但是这些数字实际上看起来很有希望。”“在未来几年中，纠缠率可能比退相干快几个数量级。”

研究人员的装置由一个梯形菱形结构组成，该结构的中心有一个氮空位，该结构水平悬挂在硅衬底上方。垂直照射到梯子上的光将氮空位中的电子踢到高能态。当它下降回到其基态时，它释放出多余的能量作为光子，其量子态可以与其自身相关。

菱形结构中的间隙（梯子中梯级之间的空间）起着所谓的光子晶体的作用，限制了光子，使其在空位上来回反弹数千次。当光子最终出现时，它很有可能沿着梯子的轴行进，因此可以将其导入光纤。

正确的方向

实际上，同步不同量子位发出的光子的唯一方法是概率地：重复进行足够的实验，最终光子将同时到达光学组件。在以前的系统中，光子发射的时间和方向都是偶然的。在新系统中，时间安排仍然不稳定，但方向要可靠得多。这样，再加上发出的光的更高纯度，应减少产生纠缠所需的时间。

研究人员的制造过程始于厚度为5微米的合成金刚石晶片，该晶片定期地嵌入氮原子，该晶片由元素六制成。麻省理工学院的研究人员使用氧等离子体将钻石的厚度减小到只有200纳米。

所得的钻石碎片太小，无法使用标准的光刻工艺进行蚀刻。因此，麻省理工学院的研究人员开发了一种新技术，在该技术中，将蚀刻成梯形图案的硅膜粘贴到钻石上，然后再次使用氧等离子体除去未被硅屏蔽的材料。他们使用钨原子探针将生成的结构转移到芯片上，该探针的尖端有一点点硅酮滴。

“通过硬掩模而不是聚焦离子束蚀刻似乎使金刚石材料没有缺陷，从而维持了自旋相干性，”剑桥大学物理学读者梅特·阿特特（Mete Atature）说。研究。“这是朝着利用氮空位中心迈出重要一步，将其作为分布式网络中纠缠，量子中继器或量子存储器的有效来源。更高的收集效率将导致更快的生成和更快的纠缠验证，因此类似于能够提高计算设备的时钟速率。”

出版物：Liozhou Li等，“金刚石中纳米腔增强量子比特的相干自旋控制”，《自然通讯》第6期，文章编号：6173; doi：10.1038 / ncomms7173

图像：由研究人员礼貌