量子技術(shù)為許多技術(shù)應(yīng)用帶來了希望，比如建立防御黑客的通信網(wǎng)絡(luò)，又例如能夠加速發(fā)明新藥的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行的是能夠存儲(chǔ)量子信息的量子比特。

 

但科學(xué)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(shí)間(即量子比特的相干時(shí)間，通常限于微秒或毫秒內(nèi))。

 

美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)研究人員在此類研究中取得兩項(xiàng)重大突破：他們實(shí)現(xiàn)了按需讀出量子比特，將量子態(tài)保持超過5秒，創(chuàng)下了最新世界紀(jì)錄。此外，研究人員的量子比特由廉價(jià)且常用的碳化硅材料制成，這種材料可廣泛應(yīng)用于燈泡、電動(dòng)汽車和高壓電子設(shè)備中。相關(guān)成果近期發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)

“增強(qiáng)一萬倍的信號(hào)”

研究人員的第一個(gè)突破是使碳化硅的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被編碼成比特的信息。對(duì)于半導(dǎo)體量子比特，典型的讀出方法是用激光尋址量子比特，并測(cè)量反射回來的光。但這個(gè)過程需要非常有效地檢測(cè)光子。

 

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狀態(tài)(0或1)，將單個(gè)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(hào)強(qiáng)度幾乎增強(qiáng)了一萬倍。論文第一作者、芝加哥大學(xué)研究生Elena Glen表示，“通過將脆弱的量子態(tài)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電子電荷，我們可以更容易地進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量。通過信號(hào)增強(qiáng)，每次檢查量子比特處于什么狀態(tài)時(shí)，都能獲得一個(gè)可靠的答案。這種類型的測(cè)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(shù)。”

 

借助單次讀出方法，科學(xué)家們還能使量子態(tài)盡可能持久，而以往，量子比特很容易因?yàn)榄h(huán)境噪聲而丟失信息。

實(shí)驗(yàn)中使用的芯片由碳化硅材料制成，圖片來自芝加哥大學(xué)研究人員為此培養(yǎng)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(duì)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(shí)間。延長量子比特相干時(shí)間有重要的作用，例如未來量子計(jì)算機(jī)能處理非常復(fù)雜的操作，或者量子傳感器能檢測(cè)到極其微小的信號(hào)。“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(fā)生的任何錯(cuò)誤。”

 

 

研究人員表示，目前量子態(tài)保持超過5秒的紀(jì)錄，意味著在量子態(tài)被打亂之前可以執(zhí)行超過1億個(gè)量子操作。

 

“在這樣的時(shí)間尺度上保存量子信息非常罕見。”項(xiàng)目首席研究員、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家David Awschalom說，“5秒鐘的時(shí)間足以將光速信號(hào)發(fā)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(tài)，這為制造分布式量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平了道路。”

 

研究人員認(rèn)為，此次研究將碳化硅帶到了量子通信平臺(tái)的最前沿。由于碳化硅廉價(jià)且常用，很容易用于多種設(shè)備中，因此碳化硅材料有助于擴(kuò)大量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

量子態(tài)的控制和讀出，圖片來自論文科學(xué)家們還看到了這項(xiàng)研究的多種潛在應(yīng)用。“單次讀出的能力開啟了一個(gè)新的機(jī)遇：利用碳化硅量子比特發(fā)射的光來幫助開發(fā)未來的量子互聯(lián)網(wǎng)，”Glen說，“像量子糾纏這樣的基本操作，一個(gè)量子態(tài)可以通過讀取另一個(gè)量子態(tài)來了解，現(xiàn)在已經(jīng)在碳化硅系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了。”

 

研究人員基本完成了一個(gè)轉(zhuǎn)換器，可以將量子態(tài)轉(zhuǎn)換到電子領(lǐng)域。“我們希望創(chuàng)造對(duì)單個(gè)電子敏感的新一代器件，同時(shí)也容納量子態(tài)。碳化硅能夠做到這兩點(diǎn)，這就是我們?yōu)槭裁凑J(rèn)為它具有前途。”Anderson表示。

 

研究人員認(rèn)為，通過創(chuàng)建一個(gè)可在普通電子設(shè)備中制造的量子比特系統(tǒng)，未來有望利用可擴(kuò)展且具有成本效益的技術(shù)，為量子領(lǐng)域的創(chuàng)新開辟一條新途徑。