如果我们可以利用它,量子技术承诺神奇的新的可能性。但首先,科学家需要诱导量子系统配合呆的时间比几上百万。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一组科学家宣布，他们发现了一种简单的修改，可以使量子系统的运行时间——或者说“相干”时间——比以前延长一万倍。尽管科学家们在一种被称为固态量子位的特殊类型的量子系统上测试了他们的技术，但他们认为这种技术应该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。
这项研究发表在8月13日的《科学》杂志上。
“这项突破为量子科学令人兴奋的新研究途径奠定了基础，”David Awschalom说，他是分子工程的Liew Family教授，Argonne国家实验室的资深科学家，芝加哥量子交换中心主任。这一发现的广泛适用性，加上非常简单的实现，使这种强大的一致性影响到量子工程的许多方面。它使以前认为不切实际的新研究机会成为可能。”
在原子水平,世界运作根据量子mechanics-very规则不同于我们所看到的在我们的日常生活。这些不同的规则可以转化为技术几乎像unhackable网络或极其强大的计算机;美国能源部发布了一个未来的蓝图量子互联网在一个事件UChicago 7月23日。但基本的工程挑战依然存在:量子态需要一个极其安静、稳定的空间才能运行，因为它们很容易受到来自振动、温度变化或杂散电磁场的背景噪音的干扰。
因此,科学家试图找到方法来保持系统的相干时间越长越好。一个常见的方法是物理隔离系统从嘈杂的环境,但这可以笨拙和复杂。另一个技术是通过所有的材料尽可能纯净,可以是昂贵的。科学家们在UChicago采取了不同的策略。
“使用这种方法，我们不会试图消除环境中的噪音;该论文的第一作者、博士后研究员凯文·苗(Kevin Miao)说。
与通常的电磁脉冲用来控制量子系统,团队申请额外的连续交变磁场。通过精确地调节这个磁场，科学家们可以快速地旋转电子的自旋，从而使系统能够“屏蔽”其余的噪声。
缪解释说:“要了解其中的原理，就像坐在旋转木马上，周围的人都在大喊大叫。”“当车静止时，你可以很清楚地听到它们，但如果你快速旋转，这些噪音就会模糊成为背景。”
这个小改变让系统保持一致的22个毫秒,四个数量级高于没有修改和更长的时间比之前报道的电子自旋系统。(相比之下,眨眼之间需要大约350毫秒)。系统能够几乎完全关掉某些形式的温度波动,物理振动和电磁噪声,通常破坏量子相干性。
简单的修复可以解锁量子技术的发现在几乎所有领域,科学家们说。
Awschalom说:“这种方法创造了一条通向可扩展性的道路。”“它将使用电子自旋存储量子信息成为现实。延长存储时间将使量子计算机能够进行更复杂的操作，并使自旋设备传输的量子信息在网络中传播更长的距离。”
尽管他们的测试是在使用碳化硅的固态量子系统中进行的，但科学家们相信这项技术在其他类型的量子系统中应该也有类似的效果，比如超导量子比特和分子量子系统。这种级别的多功能性是不寻常的一个工程的突破。
缪说:“有很多候选的量子技术都被搁置了，因为它们不能长时间保持量子相干性。”“既然我们有了这种方法来大幅提高连贯性，我们就可以重新评估这些连贯性。
他补充说:“最棒的是，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非常简单。”
参与这项研究的其他芝加哥大学科学家还有研究生约瑟夫·布兰顿，博士后研究员克里斯·安德森，研究生亚历山大·布拉沙和亚历克斯·克鲁克，以及阿尔贡大学的科学家加里·沃尔福兹。日本国家量子与放射科学技术研究所的Abe Hiroshi和Takeshi Ohshima也是共同作者。该团队使用了普利兹克纳米制造设备的资源。该团队正与波尔斯基创业与创新中心合作，将这一发现商业化。
引文:“固态量子比特中的通用相干保护。K. C. Miao等人，《科学》，2020年8月13日。DOI: 10.1126 / science.abc5186
资助:美国国防部高级研究计划局、空军科学研究办公室、海军研究办公室、美国国家科学基金会、日本科学促进协会。