量子技術為許多技術應用帶來了希望，比如建立防御黑客的通信網絡，又例如能夠加速發明新藥的量子計算機。量子計算機運行的是能夠存儲量子信息的量子比特。

 

但科學家仍致力于研究如何輕松讀取量子比特中保存的信息，以及增加量子信息的保存時間(即量子比特的相干時間，通常限于微秒或毫秒內)。

 

美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學研究人員在此類研究中取得兩項重大突破：他們實現了按需讀出量子比特，將量子態保持超過5秒，創下了最新世界紀錄。此外，研究人員的量子比特由廉價且常用的碳化硅材料制成，這種材料可廣泛應用于燈泡、電動汽車和高壓電子設備中。相關成果近期發表在《科學進展》(Science Advances)上。

圖片來自《科學進展》(Science Advances)

“增強一萬倍的信號”

研究人員的第一個突破是使碳化硅的量子比特更容易讀取。

 

每臺計算機都需要一種方法來讀取被編碼成比特的信息。對于半導體量子比特，典型的讀出方法是用激光尋址量子比特，并測量反射回來的光。但這個過程需要非常有效地檢測光子。

 

研究人員使用精心設計的激光脈沖，根據量子比特的初始量子狀態(0或1)，將單個電子添加到其量子比特中，然后用激光讀取量子比特。

 

研究人員稱，反射的光反映了電子是否存在，信號強度幾乎增強了一萬倍。論文第一作者、芝加哥大學研究生Elena Glen表示，“通過將脆弱的量子態轉化成穩定的電子電荷，我們可以更容易地進行狀態測量。通過信號增強，每次檢查量子比特處于什么狀態時，都能獲得一個可靠的答案。這種類型的測量被稱為‘單次讀出’。有了它，我們可以解鎖很多有用的量子技術。”

 

借助單次讀出方法，科學家們還能使量子態盡可能持久，而以往，量子比特很容易因為環境噪聲而丟失信息。

實驗中使用的芯片由碳化硅材料制成，圖片來自芝加哥大學研究人員為此培養了高度純化的碳化硅樣品，以減少干擾其量子比特功能的背景噪聲。然后通過對量子比特施加一系列微波脈沖，延長量子比特保存信息的時間。延長量子比特相干時間有重要的作用，例如未來量子計算機能處理非常復雜的操作，或者量子傳感器能檢測到極其微小的信號。“這些脈沖通過快速翻轉量子態，將量子比特與噪聲源和誤差解耦，”論文共同第一作者Chris Anderson說，“每一次脈沖就像是在量子比特上按下了撤銷按鈕，消除了脈沖之間可能發生的任何錯誤。”

 

 

研究人員表示，目前量子態保持超過5秒的紀錄，意味著在量子態被打亂之前可以執行超過1億個量子操作。

 

“在這樣的時間尺度上保存量子信息非常罕見。”項目首席研究員、阿貢國家實驗室高級科學家David Awschalom說，“5秒鐘的時間足以將光速信號發送到月球并返回。即使在繞地球近40圈后，這種光仍能正確反映量子比特的狀態，這為制造分布式量子互聯網鋪平了道路。”

 

研究人員認為，此次研究將碳化硅帶到了量子通信平臺的最前沿。由于碳化硅廉價且常用，很容易用于多種設備中，因此碳化硅材料有助于擴大量子網絡規模。

量子態的控制和讀出，圖片來自論文科學家們還看到了這項研究的多種潛在應用。“單次讀出的能力開啟了一個新的機遇：利用碳化硅量子比特發射的光來幫助開發未來的量子互聯網，”Glen說，“像量子糾纏這樣的基本操作，一個量子態可以通過讀取另一個量子態來了解，現在已經在碳化硅系統中實現了。”

 

研究人員基本完成了一個轉換器，可以將量子態轉換到電子領域。“我們希望創造對單個電子敏感的新一代器件，同時也容納量子態。碳化硅能夠做到這兩點，這就是我們為什么認為它具有前途。”Anderson表示。

 

研究人員認為，通過創建一個可在普通電子設備中制造的量子比特系統，未來有望利用可擴展且具有成本效益的技術，為量子領域的創新開辟一條新途徑。