当一台量子设备问世时,我们总是会去关心它的量子比特数量、连通性、门的测量误差,相干时间等,因为这些相关参数决定了量子计算机的性能。

其中,相干时间便是其中一个非常重要的指标。8月13发表在《Science》[1]的一篇文章,使用了一个简便的方法,让量子态的相干性提高了上万倍。

 

科学家玩“旋转木马”,把量子态相干性提高了上万倍-量子客
图1|论文(来源:Science)

 

相干时间是“魂”

所谓相干时间,指的是量子比特保持其叠加状态的持续时间的长短。在进行量子计算实验时,所有的量子操作要在量子退相干之前完成,才能保证量子操作的保真度。量子比特中相干性的丧失,将导致量子比特的叠加态坍缩为经典态。

当然,这可能是由于有意测量量子比特,也可能是由于系统中的噪声或故障所导致。这也是为什么研究人员在那些超低温的制冷机和真空室中实验,尽力保护量子比特不受外界影响的原因。

尽管研究人员已经足够努力,噪声依然会导致许多计算错误,而这将阻碍量子计算机进一步处理更加大型的计算问题。虽然一些量子算法可以纠正一部分错误,并且添加更多量子辅助比特也会有一定的帮助。但是,它可能需要数千个标准量子比特才能创建一个高度可靠的“逻辑”量子比特。

所以,相干时间对于量子计算机性能而言,是非常重要的一个参数,相干时间越长,则运行效率越高。相干时间的增加便是探寻大规模量子计算机道路的一个关键所在。

 

10000倍的提升

近日,芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一组科学家发现了一种方法,可以使量子比特的相干时间延长10000倍,当下,他们已经成功在一种碳化硅的固态量子系统中验证了他们的方法。

但令人兴奋的是科学家们认为,该方法将适用于所有的量子系统,比如超导量子系统,或分子量子系统。

 

科学家玩“旋转木马”,把量子态相干性提高了上万倍-量子客
图2|芝加哥大学研究人员从事量子研究(来源:David Awschalom)

 

增加的原理

通常,延长相干时间方法之一是将系统与嘈杂的环境物理隔离,但这可能很麻烦且复杂,另一种是使所有的材料尽可能的纯净,但是这又会非常的昂贵。芝加哥大学的科学家们采取了不同的策略。

论文的第一作者表示,他们所采用的方法不是消除周围的噪声,而是“欺骗”系统以使其认为没有噪声。

他们所采用的方法简便,通过与用于控制量子系统的常规电磁脉冲相结合,施加了一个额外的连续交变磁场,通过精确地调节该磁场,科学家可以迅速旋转电子自旋,并使系统“屏蔽”其余的噪声。

这一原理就好比,笔者坐在旋转木马上,周围人们在大喊大叫。当旋转木马停下来时,可以听到大家清晰的声音,但是如果快速旋转,“噪声”就会变得模糊不清了。

这个方法可以使系统保持高达22毫秒相干时间,与原系统相比提高了4个数量级,而且其相干时间比之前报道的任何电子自旋系统都要长得多。该系统几乎能够完全消除某些形式的温度波动,物理振动和电磁噪声,而这些因素通常会破坏量子相干性。

 

影响

这种方法创造了量子比特可扩展性的途径,可能使在电子自旋中存储量子信息成为现实。相干时间的增加将使量子计算机中的操作更加复杂,并使从基于自旋的设备传输的量子信息能够在网络中传播更长的距离,这个简单的方法开启量子技术几乎所有领域的新的可能。

解决了相干性问题,最终将彻底的改变量子通信、量子计算和量子传感。

 

 参考文献:
[1]https://science.sciencemag.org/content/early/2020/08/12/science.abc5186

 

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编辑 |  Sakura        审校 |  Peiyong Wang