量子态仅能维持百万分之几秒，简单方法可以延长 10000 倍

北京时间 8 月 19 日消息，在量子科学领域，一些简单的创新或许能带来更多的可能性。如果我们可以操纵量子技术，人类的生活可能会发生翻天覆地的变化。但首先，科学家必须使量子系统维持更长的时间，而不是仅仅百万分之几秒。

美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员宣布，他们发现了一种简单的调整方法，可以使量子系统的运行时间——或者说 “相干”时间——比之前延长 10000 倍。研究人员在一种名为 “固态量子位”的特殊量子系统上测试了这项技术，但他们认为，该技术应该能适用于许多其他类型的量子系统，从而可能彻底改变量子通信、计算和传感技术。这项研究的结果发表在 8 月 13 日的（Science）杂志上。

▲ 从左至右：芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家凯文·苗、克里斯·安德森和亚历山大·布拉沙在大卫·奥沙洛姆的实验室里进行量子研究

“这项突破奠定了基础，为量子科学研究开辟了令人兴奋的新途径，”分子工程学院的大卫 · 奥沙洛姆（David Awschalom）说，“这一发现的广泛适用性，加上非常简单的实现方法，使这种强大的相干性影响到量子工程的许多方面。一些此前认为不切实际的研究也有机会成为可能。”奥沙洛姆也是阿尔贡国家实验室的资深科学家，同时是芝加哥量子交易所（Chicago Quantum Exchange）的主管。

世界在原子水平是根据量子力学的规则来运作的，与我们日常生活中所看到的一切迥然不同。这些规则可以转化为非常具有未来感的新技术，比如无法侵入的网络，或是极其强大的计算机。今年 7 月 23 日，美国能源部在芝加哥大学发布了未来量子互联网的蓝图。然而，研究人员依然要面对最基本的工程挑战：量子态需要在一个极其安静、稳定的空间里才能运行，因为它们很容易受到来自振动、温度变化或杂散电磁场等背景噪音的干扰。

因此，科学家试图找到方法来保持量子系统的相干状态，保持的时间越长越好。一种常见的方法是物理隔离，即通过物理方法将量子系统与嘈杂的环境隔绝，但这种方法可能十分笨拙且复杂。另一种技术是确保量子系统中的所有材料尽可能纯净，但这么做的成本十分高昂。芝加哥大学的研究人员采取了不同的策略。

“在这种方法中，我们不是试图消除环境中的噪声，”该论文的第一作者、博士后研究者凯文 · 苗（Kevin Miao，音译）说，“相反，我们‘欺骗’这个系统，使它认为自己没有受到噪声影响。”

研究团队采用了额外的连续交变磁场，与常用的电磁脉冲相结合，以控制量子系统。通过精确地调节这个磁场，研究人员可以加快电子的自旋，从而使系统能够 “屏蔽”其余的噪声。

“这其中的原理，可以想象为坐在旋转木马上，周围的人都在大喊大叫，”凯文 · 苗解释道，“当木马静止时，你可以很清楚地听到周围的噪声，但如果你快速旋转，这些噪声就会模糊，变成背景。”

这一微小的调整使量子系统的相干状态保持了 22 毫秒，比未经调整的系统保持时间高了 4 个数量级，并且远远高于之前报道的电子自旋系统。作为参照，我们眨眼的时间大约为 350 毫秒。这个量子系统几乎能完全屏蔽掉某些形式的温度波动、物理振动和电磁噪声，这些都会破坏量子相干性。

研究人员表示，这种简单的调整或许将推动量子技术在几乎所有领域取得新发现。“这种方法开辟了一条通向可扩展性的道路，”奥沙洛姆说，“通过该方法，利用电子自旋存储量子信息将成为现实。延长存储时间将使量子计算机能够进行更复杂的操作，并使基于自旋设备传输的量子信息在网络中传播更长的距离。”

尽管研究人员的测试是在使用碳化硅的固态量子系统中进行的，但他们相信，这项技术在其他类型的量子系统中应该也会产生类似的效果，比如在超导量子比特和分子量子系统中。对于一项工程突破而言，这种多功能性水平是很不寻常的。

“有很多候选的量子技术都被放弃了，因为它们不能长时间保持量子相干性，”凯文 · 苗说，“既然我们有了这种方法来大幅增加保持相干性的时间，我们就可以重新评估这些相干性。”他还补充道，最令人兴奋的是，这非常容易做到，“这背后的科学是错综复杂的，但添加一个交变磁场的逻辑却十分简单直接”。