量子態(tài)僅能維持百萬分之幾秒，簡(jiǎn)單方法可以延長(zhǎng) 10000 倍

北京時(shí)間 8 月 19 日消息，在量子科學(xué)領(lǐng)域，一些簡(jiǎn)單的創(chuàng)新或許能帶來更多的可能性。如果我們可以操縱量子技術(shù)，人類的生活可能會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。但首先，科學(xué)家必須使量子系統(tǒng)維持更長(zhǎng)的時(shí)間，而不是僅僅百萬分之幾秒。

美國(guó)芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的調(diào)整方法，可以使量子系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間——或者說 “相干”時(shí)間——比之前延長(zhǎng) 10000 倍。研究人員在一種名為 “固態(tài)量子位”的特殊量子系統(tǒng)上測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)，但他們認(rèn)為，該技術(shù)應(yīng)該能適用于許多其他類型的量子系統(tǒng)，從而可能徹底改變量子通信、計(jì)算和傳感技術(shù)。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在 8 月 13 日的（Science）雜志上。

▲ 從左至右：芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的科學(xué)家凱文·苗、克里斯·安德森和亞歷山大·布拉沙在大衛(wèi)·奧沙洛姆的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行量子研究

“這項(xiàng)突破奠定了基礎(chǔ)，為量子科學(xué)研究開辟了令人興奮的新途徑，”分子工程學(xué)院的大衛(wèi) · 奧沙洛姆（David Awschalom）說，“這一發(fā)現(xiàn)的廣泛適用性，加上非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法，使這種強(qiáng)大的相干性影響到量子工程的許多方面。一些此前認(rèn)為不切實(shí)際的研究也有機(jī)會(huì)成為可能?！眾W沙洛姆也是阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家，同時(shí)是芝加哥量子交易所（Chicago Quantum Exchange）的主管。

世界在原子水平是根據(jù)量子力學(xué)的規(guī)則來運(yùn)作的，與我們?nèi)粘Ｉ钪兴吹降囊磺绣娜徊煌?。這些規(guī)則可以轉(zhuǎn)化為非常具有未來感的新技術(shù)，比如無法侵入的網(wǎng)絡(luò)，或是極其強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。今年 7 月 23 日，美國(guó)能源部在芝加哥大學(xué)發(fā)布了未來量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。然而，研究人員依然要面對(duì)最基本的工程挑戰(zhàn)：量子態(tài)需要在一個(gè)極其安靜、穩(wěn)定的空間里才能運(yùn)行，因?yàn)樗鼈兒苋菀资艿絹碜哉駝?dòng)、溫度變化或雜散電磁場(chǎng)等背景噪音的干擾。

因此，科學(xué)家試圖找到方法來保持量子系統(tǒng)的相干狀態(tài)，保持的時(shí)間越長(zhǎng)越好。一種常見的方法是物理隔離，即通過物理方法將量子系統(tǒng)與嘈雜的環(huán)境隔絕，但這種方法可能十分笨拙且復(fù)雜。另一種技術(shù)是確保量子系統(tǒng)中的所有材料盡可能純凈，但這么做的成本十分高昂。芝加哥大學(xué)的研究人員采取了不同的策略。

“在這種方法中，我們不是試圖消除環(huán)境中的噪聲，”該論文的第一作者、博士后研究者凱文 · 苗（Kevin Miao，音譯）說，“相反，我們‘欺騙’這個(gè)系統(tǒng)，使它認(rèn)為自己沒有受到噪聲影響?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)采用了額外的連續(xù)交變磁場(chǎng)，與常用的電磁脈沖相結(jié)合，以控制量子系統(tǒng)。通過精確地調(diào)節(jié)這個(gè)磁場(chǎng)，研究人員可以加快電子的自旋，從而使系統(tǒng)能夠 “屏蔽”其余的噪聲。

“這其中的原理，可以想象為坐在旋轉(zhuǎn)木馬上，周圍的人都在大喊大叫，”凱文 · 苗解釋道，“當(dāng)木馬靜止時(shí)，你可以很清楚地聽到周圍的噪聲，但如果你快速旋轉(zhuǎn)，這些噪聲就會(huì)模糊，變成背景?！?/p>

這一微小的調(diào)整使量子系統(tǒng)的相干狀態(tài)保持了 22 毫秒，比未經(jīng)調(diào)整的系統(tǒng)保持時(shí)間高了 4 個(gè)數(shù)量級(jí)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的電子自旋系統(tǒng)。作為參照，我們眨眼的時(shí)間大約為 350 毫秒。這個(gè)量子系統(tǒng)幾乎能完全屏蔽掉某些形式的溫度波動(dòng)、物理振動(dòng)和電磁噪聲，這些都會(huì)破壞量子相干性。

研究人員表示，這種簡(jiǎn)單的調(diào)整或許將推動(dòng)量子技術(shù)在幾乎所有領(lǐng)域取得新發(fā)現(xiàn)?！斑@種方法開辟了一條通向可擴(kuò)展性的道路，”奧沙洛姆說，“通過該方法，利用電子自旋存儲(chǔ)量子信息將成為現(xiàn)實(shí)。延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間將使量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行更復(fù)雜的操作，并使基于自旋設(shè)備傳輸?shù)牧孔有畔⒃诰W(wǎng)絡(luò)中傳播更長(zhǎng)的距離。”

盡管研究人員的測(cè)試是在使用碳化硅的固態(tài)量子系統(tǒng)中進(jìn)行的，但他們相信，這項(xiàng)技術(shù)在其他類型的量子系統(tǒng)中應(yīng)該也會(huì)產(chǎn)生類似的效果，比如在超導(dǎo)量子比特和分子量子系統(tǒng)中。對(duì)于一項(xiàng)工程突破而言，這種多功能性水平是很不尋常的。

“有很多候選的量子技術(shù)都被放棄了，因?yàn)樗鼈儾荒荛L(zhǎng)時(shí)間保持量子相干性，”凱文 · 苗說，“既然我們有了這種方法來大幅增加保持相干性的時(shí)間，我們就可以重新評(píng)估這些相干性?！彼€補(bǔ)充道，最令人興奮的是，這非常容易做到，“這背后的科學(xué)是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但添加一個(gè)交變磁場(chǎng)的邏輯卻十分簡(jiǎn)單直接”。