使量子态寿命延长10000倍的相干保护技术

如果我们能够为我们所用，量子技术将带来惊人可能性。但是首先，需要科学家哄骗量子系统，使其保持共轭状态的时间超过百万分之一秒。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一组科学家宣布发现了一种简单的方法，让量子(相干)系统持续的时间延长了10000倍。尽管科学家只在被称为固态量子位的特定系统上测试了他们的技术，但他们认为该技术应适用于许多其他种类的量子系统，从而可能彻底改变量子通信，计算和传感。

该研究于8月13日发表在Science上。

主要作者，分子工程学教授，阿贡国家实验室的高级科学家，芝加哥量子交易所的负责人戴维·奥沙洛姆(David Awschalom)说：“这一突破为令人兴奋的量子科学的新研究途径奠定了基础。这项发现的广泛适用性以及非常简单的实现方式，可以影响到量子工程的许多方面。它使以前被认为不切实际的项目成为可能。”

在原子的层面上，世界按照量子力学的规则运行——与我们日常生活中所看到的完全不同。这些不同的规则可以赋予我们几乎无法破解的网络或功能极其强大的计算机之类的技术。但基本的工程挑战依然无法逾越：量子状态需要一个非常安静，稳定的操作空间，因为它们很容易受到振动，温度变化或杂散电磁场等背景噪声的影响。

因此，科学家试图找到使系统尽可能长时间保持一致的方法。一种常见的方法是将系统与嘈杂的环境物理隔离，但这可能很麻烦且复杂。另一种技术是提高原材料的纯度，但相关工艺往往非常昂贵。

芝加哥大学的科学家采取了不同的策略。

论文的第一作者，博士后研究员凯文·苗说：“采用这种方法，我们不会试图消除周围的噪音；相反，我们会欺骗系统，使其认为没有噪音。”

与控制量子系统的常规电磁脉冲结合，研究小组应用附加的连续交变磁场。通过精确调节场强，科学家可以迅速旋转电子的自旋方向，并使系统“消除”额外的噪声。

“这一原理，就像坐在旋转木马上，周围的人们大喊大叫。当木马静止时，您可以听到周遭的声音，但是如果快速旋转起来，噪音就会模糊到背景中。”

这一微弱变化使系统能够保持高达22毫秒的相干性，比原始时长高4个数量级，比以前的记录都要久。(作为比较，眨眼大约是350毫秒)。该系统几乎可以完全消除某些形式的温度波动，物理振动和电磁噪声。

科学家们说，这种简单的降噪方法几乎可以释放量子技术在各领域的巨大潜力。

“这种方法为扩展性创造了一条途径，在电子自旋中存储量子信息的思路因此变得切实可行。存储时间的延长将使量子计算机中的操作更加复杂，令量子信息在网络中传播更长的距离。”

尽管他们仅在碳化硅的固态量子系统中进行了实验，但科学家们认为，其他类型的量子系统(例如超导量子位和分子量子系统)应该没有本质的不同。对于这样的工程突破来说，如此多功能性是不寻常的。

苗说：“最好的部分是，它非常容易实现。背后的机制很复杂，但是增加交变磁场的后勤工作非常简单。”

更多信息： KC Miao等人，固态量子比特中的通用相干保护，《科学》，2020年8月13日。DOI ：10.1126/science.abc5186