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科学家发现了使量子状态持续10000倍的方法

发布时间: 2020-08-20 13:50:53   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

如果我们能驾驭量子技术,就会预示着各种奇妙的可能性。但这里首先需要科学家使量子系统保持相干的时间超过百万分之一秒。来自University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering的科学家团队宣布一个简单的改进可以使量子系统能够保持运行的时间(或者说"相干")比之前延长了10000倍。虽然科学家们在一类称为固态量子位的特定量子系统上测试了他们的技术,但他们认为该技术应该适用于其他种类的量子系统,从而彻底改变量子通信、计算和感测。这项研究发表在813日《Science》杂志上。

研究的主要作者,Liew Family分子工程教授,Argonne National Laboratory高级科学家和Chicago Quantum Exchange的主任David Awschalom说:这一突破为未来量子科学研究的工作奠定了基础, 这一成果具有广泛的适用性,加上极其简单的执行,使得这种相干性相当稳定,影响到量子工程的诸多方面。它使以前大家认为不切实际的研究有了重新研究的机会。

在原子级的世界,一切按照量子力学的规则运行,这和我们日常生活中看到的非常不同。这些不同的规则可以转化为技术,如虚拟无法破解的网络或极其强大的计算机;723日,美国能源部在UChicago的一次活动中发布了未来量子互联网的蓝图。但是在工程上依然存在许多挑战:量子状态需要一个极其安静、稳定的运行空间,因为它们很容易被来自振动,温度变化或杂散电磁场的背景噪声干扰。因此,科学家们试图找到尽可能长的时间保持系统相干的方法。一种常见的方法是将系统与背景噪声隔离开,但这可能难以操作且设计复杂。另一种技术是使所有材料尽可能保持高纯度,但是这种方法价格昂贵。UChicago的科学家采取了不同的策略。

博士后研究员,论文的第一作者Kevin Miao说:通过这种方法,我们不会试图消除周围环境的噪音;相反,我们欺骗系统,让系统以为它不会体验到噪音。与用于控制量子系统的常用的电磁脉冲一起,该团队还使用了额外的连续交变的磁场。通过精确调整这个磁场,科学家可以快速使电子自旋,并允许系统滤出多余的噪声。Miao解释道:为了理解这个原则,这就像坐在旋转木马上,周围的人都在叫喊,当旋转静止的时候,您可以清楚地听到他们的声音,但如果你快速旋转,噪音会在背景中消失模糊。

这一小小的变化使系统能够保持22毫秒的相干,比不改进时高出4个数量级,而且比之前报告的任何电子自旋系统都长得多。(为了进行比较,眨眼大约需要 350 毫秒)。该系统能够几乎完全滤出某些形式的温度波动,物理振动和电磁噪声,所有这些通常都会破坏量子相干性。科学家们说,这种简单的修复方法理论上可以开启量子技术几乎所有领域的新发现。Awschalom 说:这种方法创造了一条可缩放的途径,它使得储存电子自旋中的量子信息得以实用。延长存储时间将使量子计算机能够执行更复杂的操作,并允许从电子自旋设备传送的量子信息在网络中运行更长的时间。

虽然他们的测试是在使用碳化硅的固态量子系统中进行的,但科学家们认为,这项技术在其他类型的量子系统中,如超导量子位和分子量子系统,应该也有类似的效果。这种通用性是一个极不寻常的工程突破。Miao 说:有很多量子候选技术因为不能长期保持量子相干性而被放在一边不被考虑,既然我们有这种方式可以大幅度改善相关性,那么这些技术可以重新评估。他补充说,它最大的优势是非常容易做到,它背后的科学是复杂的,但增加交变磁场的逻辑却非常简单。

https://phys.org/news/2020-08-scientists-quantum-states-longer.html

 

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