量子態保持時間超過5秒刷新紀錄 有助製造分佈式量子互聯網

據最新一期《科學進展》報道,美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室和芝加哥大學的科學家取得了量子科學研究的重大突破:他們能夠按需讀出量子位,並將量子態保持完整超過5秒,從而創下新紀錄。此次的量子位由易於獲得的碳化硅材料製成,碳化硅目前廣泛用於燈泡、電動汽車和高壓電子設備中。

“在這樣的時間尺度上保存量子信息並不常見。”項目首席研究員、阿貢國家實驗室高級科學家大衛·奧沙洛姆說,“5秒鐘的時間足以向月球發送光信號並實現返回。即使在繞地球近40圈之後,這種光仍能正確反映量子位的狀態,這就為製造分佈式量子互聯網鋪平了道路。”

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對於半導體量子位,典型的讀出方法是用激光尋址量子位並測量其反射回來的光,但這個過程需要非常有效地檢測光子。研究人員此次使用精心設計的激光脈衝,根據其初始量子態(0或1)將單個電子添加到其量子位中。

研究人員稱,反射的光反映了電子存在與否,且信號幾乎增加了10000倍。“通過將脆弱的量子態轉化為穩定的電子電荷,我們可以更輕鬆地進行狀態測量。通過信號增強,我們每次檢查量子位處於什麼狀態時,都可獲得更為可靠的答案。這種類型的測量稱為‘單次讀出’,有了它,我們可以解鎖相當多的實用型量子技術。”

藉助單次讀出方法,科學家們還可使量子態儘可能持久,而在以往,量子位很容易因為環境中的噪聲而丟失信息。

研究人員為此培養了高度純化的碳化硅樣品,這些樣品減少了會幹擾其量子位功能的背景噪聲。然後通過對量子位施加一系列微波脈衝,就延長了量子位保存信息的時間。

該論文共同第一作者、芝加哥大學的克里斯·安德森說:“這些脈衝通過快速翻轉量子態,將量子位與噪聲源和錯誤解耦。每個脈衝就像按下量子位上的撤銷按鈕,消除脈衝之間可能發生的任何錯誤。”

研究人員表示,通過創建一個可在普通電子設備中製造的量子位系統,未來有望使用可擴展且具有成本效益的技術,為量子領域的創新開闢一條新途徑。