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搞定“退相干”现象,科学家找到让量子态持续时间延长 1 万倍的方法

2024-11-01 213


将量子技术从可能变为真实的主要挑战之一在于如何使超脆弱、不稳定的量子态(Quantum State)持续时间超过几毫秒(ms),科学家不久前已将这标准提高了 1 万倍。 

透过处理所谓的“退相干”(decoherence)现象达成这点:退相干是由振动、温度波动和电磁场干扰引起的周遭噪声干扰,可轻易终止量子态。“采用这种方法,我们不试图消除周遭环境的噪声,”芝加哥大学(University of Chicago)量子工程师 Kevin Miao 表示:“相反的,我们会欺骗系统以为自己没有感受到噪声。”

利用旋转木马原理遮蔽噪声,固态量子位元稳定状态可保持 22 毫秒

透过对称为固态量子位元(Solid-State Qubit)的量子系统施加连续交变磁场(Alternating Magnetic Field),除了控制这类系统所需的标准电磁脉冲,团队还能“遮蔽”不必要的噪声。

研究人员比喻成像坐在旋转木马上,转速愈快,就愈听不到周遭杂音,因为一切杂音都变得模糊不清。在这种情况下,自旋电子(Spinning Electron)就像旋转木马。借由新方法,固态量子位元系统能保持稳定达 22 毫秒之久,这比之前研究成果的持续时间高 4 个数量级或 1 万倍,尽管还是比十分之一的眨眼时间短。

Qubit 量子位元是标准电脑位元的量子版,不仅能编码 1 和 0,还可达让本身功能更强大的叠加态(Superposition State)。退相干对量子科学家来说无异是一大克星,其他降低背景噪声的尝试多半着眼于完全隔离量子系统(技术上来说非常有挑战性,再不然就是使用最纯粹的材料打造这些系统),但这种系统很快就变得十分昂贵。本文探讨的新方法提供更实用的解决方案。

对超导 Qubit、分子量子系统、超级电脑及无法破解网络发展很有帮助

“这个突破为量子科学令人兴奋的新研究方法与途径奠定了基础,”美国阿岗国家实验室(Argonne National Laboratory)物理学家 David Awschalom 指出:“这项发现的广泛适用性,加上非常简单的实作方式,使这种强大的相干性(Coherence)影响到量子工程许多方面,使以前认为不切实际的新研究商机成为可能。”

研究人员指出,这也可以应用在量子物理学的其他领域,无需太多调整,如超导量子位元(Superconducting Qbit)和分子量子系统(Molecular Quantum System)就是其他可能受益的系统。这涉及从超级电脑到无法破解入侵的网络等各种可能应用领域。虽然我们的量子未来仍然有一段长远的路要走,但科学每一步进展都让我们和量子未来的距离缩短。

“目前有许多候选的量子技术,因无法长时间保持量子相干性而被搁置,”Miao 表示:“现在我们可以重新评估这些候选技术,因为能透过这种新方法大幅提高量子相干性。”他进一步表示:“最棒的是,非常容易做到。虽然背后的科学相当错综复杂,但新增交变磁场的逻辑却非常简单。”研究发表在《科学》期刊。

  • Scientists Just Found a Way to Make Quantum States Last 10,000 Times Longer

(首图来源:芝加哥大学)

2020-08-18 16:05:00

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