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光子盒研究院出品

在量子計(jì)算領(lǐng)域，研究人員仍在努力解決如何輕松讀取量子比特中保存的信息，以及增加量子信息保存的時(shí)間(量子比特的相干時(shí)間)，后者通常被限制在微秒或毫秒內(nèi) 。

美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的一組研究人員實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)重大突破，以克服量子系統(tǒng)的這些共同挑戰(zhàn) 。他們能夠按需讀出他們的量子比特，然后完整保持量子態(tài)5秒鐘以上——這是這類設(shè)備的新記錄。此外，研究人員的量子比特是由一種叫做碳化硅的易于使用的材料制成的，這種材料廣泛存在于燈泡、電動(dòng)汽車和高壓電子設(shè)備中。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家、Q-NEXT量子研究中心主任、芝加哥大學(xué)分子工程和物理學(xué)Liew家族教授、該項(xiàng)目的首席研究員David Awschalom說：“在人類的時(shí)間尺度上保存量子信息是不常見的，五秒鐘足夠向月球發(fā)出光速信號(hào)并返回。即使在環(huán)繞地球近40圈后，這種光仍將正確地反映量子比特狀態(tài)——為制造分布式量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平了道路。”

通過創(chuàng)建一個(gè)可以在普通電子設(shè)備中制造的量子比特系統(tǒng)，研究人員希望使用一種既可擴(kuò)展又具有成本效益的技術(shù)，為量子創(chuàng)新開辟一條新的途徑。

該論文的第一作者之一、芝加哥大學(xué)研究生Elena Glen說：“這基本上把碳化硅帶入了量子通信平臺(tái)的前沿。這很令人興奮，因?yàn)樗苋菀讛U(kuò)大規(guī)模，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道如何使用這種材料制造有用的設(shè)備 ?！?br />

研究結(jié)果發(fā)表在2月2日的《科學(xué)進(jìn)展》[1]雜志上。

實(shí)驗(yàn)中使用的芯片由碳化硅制成，碳化硅是一種廉價(jià)且常用的材料。

研究人員的第一個(gè)突破是使碳化硅量子比特更容易讀取。

每臺(tái)計(jì)算機(jī)都需要一種方法來讀取編碼成比特的信息。對(duì)于半導(dǎo)體量子比特，正如該團(tuán)隊(duì)的量子比特一樣，典型的讀出方法是用激光尋址量子比特，并測量發(fā)射回來的光。然而，這一過程具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰浅Ｓ行У靥綔y單光子。

而在這項(xiàng)工作中，研究人員使用精心設(shè)計(jì)的激光脈沖，根據(jù)量子比特的初始量子態(tài)(0或1)向其量子比特中添加一個(gè)電子。然后使用激光讀出量子比特——和以前一樣的方式。

量子態(tài)的控制和讀出

Glen說：“現(xiàn)在，發(fā)射的光反映了電子的存在或不存在，而且信號(hào)是原來的1萬倍。通過將脆弱的量子態(tài)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電子電荷，我們可以非常容易地測量這些狀態(tài) 。有了這種信號(hào)增強(qiáng)，每次我們檢查量子比特處于什么狀態(tài)時(shí)，都可以得到一個(gè)可靠的答案。這種測量被稱為‘單次讀出’，有了它，我們可以解鎖許多有用的量子技術(shù) ?！?br />

有了單次讀出方法，科學(xué)家們可以專注于使他們的量子態(tài)盡可能持久——這對(duì)量子技術(shù)來說是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)榱孔颖忍睾苋菀滓驗(yàn)榄h(huán)境中的噪聲而丟失信息。

研究人員培育了高純度的碳化硅樣品，降低了干擾量子比特功能的背景噪聲。然后，通過向量子比特施加一系列微波脈沖，他們延長了量子比特保存量子信息的時(shí)間，即“相干性” 。

該論文的第一作者之一、芝加哥大學(xué)的Chris Anderson說：“這些脈沖通過快速翻轉(zhuǎn)量子態(tài)將量子比特與噪聲源和錯(cuò)誤解耦。每個(gè)脈沖就像按下我們量子比特上的撤銷按鈕，擦除脈沖之間可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤 ?！?br />

研究人員認(rèn)為，更長的相干時(shí)間都是可能的。延長相干時(shí)間會(huì)產(chǎn)生重大影響，比如未來量子計(jì)算機(jī)可以處理多復(fù)雜的操作，或者量子傳感器可以檢測到多小的信號(hào) 。

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