超過5秒！量子态保持時間重新整理紀錄

◎ 科技日報記者 張夢然

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，并将量子态保持完整超過5秒，進而創下新紀錄。此次的量子位由易于獲得的碳化矽材料制成，碳化矽目前廣泛用于燈泡、電動汽車和高壓電子裝置中。

實驗中使用的晶片由廉價且常用的碳化矽材料制成。圖檔來源：David Awschalom /芝加哥大學

“在這樣的時間尺度上儲存量子資訊并不常見。”項目首席研究員、阿貢國家實驗室進階科學家大衛·奧沙洛姆說，“5秒鐘的時間足以向月球發送光信号并實作傳回。即使在繞地球近40圈之後，這種光仍能正确反映量子位的狀态，這就為制造分布式量子網際網路鋪平了道路。”

對于半導體量子位，典型的讀出方法是用雷射尋址量子位并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雷射脈沖，根據其初始量子态（0或1）将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，且信号幾乎增加了10000倍。“通過将脆弱的量子态轉化為穩定的電子電荷，我們可以更輕松地進行狀态測量。通過信号增強，我們每次檢查量子位處于什麼狀态時，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。”

借助單次讀出方法，科學家們還可使量子态盡可能持久，而在以往，量子位很容易因為環境中的噪聲而丢失資訊。

研究人員為此培養了高度純化的碳化矽樣品，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沖，就延長了量子位儲存資訊的時間。

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

研究人員表示，通過建立一個可在普通電子裝置中制造的量子位系統，未來有望使用可擴充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。

總編輯圈點

在量子領域，延長相幹時間會産生重大影響，譬如，未來量子計算機可借此處理更複雜操作，量子傳感器也可檢測到更小的信号。如今全新的時間紀錄，意味着科學家可在量子态被擾亂之前執行超過1億次量子操作。而執行單次讀出的能力更是打開了一扇新窗：未來，我們可利用碳化矽量子位發出的光來幫助開發量子網際網路，像量子糾纏之類的“基本操作”，都可用基于碳化矽的系統實作。

來源：科技日報

編輯：張爽

稽核：朱麗

終審：王郁