消除噪音，改进量子设备

多年来，研究人员一直在尝试各种方法来诱导量子比特（或称量子比特，量子计算机的基本构件）在量子状态下保持更长的时间，这是制造量子传感器、陀螺仪和存储器等设备的关键一步。

麻省理工学院的一组物理学家在这一探索中迈出了重要的一步，为此，他们借用了一个不太可能的概念–降噪耳机。

在巴特尔能源联盟核工程教授、材料科学与工程教授李菊和核科学与工程系及电子学研究实验室福特工程教授、物理学教授保拉-卡佩拉罗的领导下，该研究小组介绍了一种方法，可将核自旋量子比特的相干时间提高 20 倍。该研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。该研究的第一作者是 23 岁的王国庆博士，他是卡佩拉罗实验室的应届博士生，现在是麻省理工学院的博士后。

“这是量子信息领域的主要问题之一，”李说。”核自旋（集合）是量子传感器、陀螺仪和量子存储器的极具吸引力的平台，（但）在电子自旋存在的情况下，它们的相干时间约为 150 微秒……然后信息就消失了。我们已经证明，如果我们能够理解这些系统中的相互作用或噪声，我们实际上可以做得更好”。

用 “不平衡回声 “扩展一致性

与降噪耳机使用特定的声音频率来过滤周围噪音的方法差不多，该团队开发了一种被称为 “不平衡回声 “的方法来延长系统的相干时间。

通过分析特定噪声源（在本例中为热量）如何影响系统中的核四极相互作用，研究小组能够利用相同的噪声源抵消核电子相互作用，从而将相干时间从150微秒延长至3毫秒。

然而，这些改进可能仅仅是个开始。该研究的第一作者、提出保护方案的王说，随着他们探索其他可能的噪声源，可能会取得更多进展。

“理论上，我们甚至可以把它改进到几百甚至几千倍的时间。但实际上，系统中可能还有其他噪声源，而我们已经证明，如果我们能描述它们，就能消除它们。”

美因茨亥姆霍兹研究所物质-非物质组组长、约翰内斯-古腾堡大学和加州大学伯克利分校教授德米特里-布德克（Dmitry Budker）说，这篇论文将对未来的量子设备工作产生 “重大影响”，他没有参与这项研究。

“他说：”（这个小组）是量子传感领域的世界领导者。”他们不断发明新方法，推动这一蓬勃发展领域的发展。在这项工作中，他们展示了一种实用的方法，通过一种巧妙的自旋回波技术，将核相干时间拉长了一个数量级，这种方法在应用中应该可以比较直接地实现。”

康奈尔大学应用和工程物理学教授格雷戈里-福克斯称这项工作 “具有创新性和影响力”。

“他说：”这项（工作）非常重要，因为尽管核自旋原则上可以比NV中心的电子自旋具有更长的相干寿命，但在金刚石NV中心实验中观测长寿命核自旋集合一直是个挑战。他说：”Cappellaro 教授和她的学生所展示的是一种出人意料的方法。这种方法对于核自旋集合的应用，如旋转传感（陀螺仪），可能会产生很大的影响”。

利用 “100 亿个时钟 “构建传感器

论文中描述的实验和计算涉及金刚石中原子尺度杂质的大集合（约 100 亿个），这些杂质被称为氮空位中心（或 NV 中心），其中每个都以氮-14 核的特定量子自旋态存在，附近还有一个局部电子。

Wang 解释说，氮空位中心早已被确定为量子传感器、陀螺仪、存储器等的理想候选材料，但挑战在于如何让大量氮空位中心组合在一起工作。

“王说：”如果把每个自旋看成是一个时钟，那么这 100 亿个时钟都略有不同……你无法单独测量它们。”我们看到的是，当你准备好所有这些时钟时，它们一开始是相互同步的，但一段时间后，它们就完全失去了相位。我们称之为去相位时间。

“他继续说：”我们的目标是使用十亿个时钟，但要达到与单个时钟相同的去相时间。”他继续说：”这样，你就可以通过测量多个时钟获得增强效果，同时又能保持相位相干性，从而不会快速丢失量子信息。

李、卡佩拉罗、王和其他麻省理工学院研究生组成的研究团队于今年 3 月首次概述了温度异质性诱导去相位的基本理论，该理论与材料特性有关。这篇发表在《物理化学通讯》（Journal of Physical Chemistry Letters）上的论文描述了一种理论方法，用于计算温度和应变如何影响可能导致退相干的不同类型的相互作用。

第一种相互作用被称为核四极相互作用，发生这种相互作用的原因是氮核充当了不完全核偶极子–本质上是亚原子磁体。王解释说，由于原子核不是完美的球形，它会变形，破坏偶极子，从而有效地与自身发生相互作用。同样，超频相互作用是原子核磁偶极子与附近电子磁偶极子相互作用的结果。这两种类型的相互作用都可以在时空上发生变化，当考虑核自旋量子比特的集合时，由于 “不同位置的时钟可以得到不同的相位”，因此会发生去相位现象。

根据他们早前的论文，研究小组推测，如果他们能够确定这些相互作用是如何受到热影响的，就能够抵消这种影响，延长系统的相干时间。

“温度或应变会影响这两种相互作用，”Wang 说。”我们描述的理论预测了温度或应变将如何影响四极和超频，然后我们在这项工作中开发的不平衡回波本质上是利用另一种不同的物理相互作用抵消一种物理相互作用导致的光谱漂移，利用它们在相同噪声诱导下的相关性。

与量子界常用的现有自旋回波技术相比，这项工作的关键新颖之处在于利用不同的相互作用噪声相互抵消，从而使要抵消的噪声具有高度的选择性。”他继续说：”不过，令人兴奋的是，我们可以以其他方式使用这个系统。”因此，我们可以用它来感知温度或应变场的时空异质性。这对于生物系统之类的东西来说可能相当不错，因为在生物系统中，即使是非常微小的温度变化也会产生重大影响。

其他应用

Wang 说，这些应用仅仅是该系统潜在应用的表面。

“李说：”这套系统还可以用来检测电动汽车中的电流，由于它可以测量应变场，因此可以用于非破坏性的结构健康评估。”你可以想象一下，如果一座桥梁上安装了这些传感器，我们就能了解它所承受的应变类型。事实上，金刚石传感器已经被用于测量材料表面的温度分布，因为它可以成为一种非常灵敏、高空间分辨率的传感器。

李说，另一个应用可能是生物学。研究人员此前已经证明，利用量子传感器绘制电磁场中的神经元活动图，可以提供潜在的改进，使人们能够更好地了解某些生物过程。

论文中描述的系统也可能代表着量子记忆的重大飞跃。

虽然现有的一些方法可以延长量子比特的相干时间以用于量子存储器，但这些过程非常复杂，通常涉及 NV 中心的 “翻转 “或自旋反转。虽然这一过程可以逆转导致退相干的光谱漂移，但也会导致系统中编码的任何信息丢失。

通过消除逆转自旋的需要，新系统不仅延长了量子比特的相干时间，而且防止了数据丢失，这是量子计算向前迈出的关键一步。

展望未来，该团队计划研究系统中的其他噪声源（如波动电场干扰），目标是抵消它们，进一步延长相干时间。

“李说：”既然我们已经实现了 20 倍的改进，我们正在研究如何进一步改进，因为从本质上讲，这种不平衡的回声几乎可以实现无限的改进。”我们还在研究如何将这一系统应用于量子陀螺仪的制造，因为相干时间只是制造陀螺仪的一个关键参数，我们还在努力优化其他参数，以（了解）与以前的技术相比我们能达到的灵敏度。”

这项工作得到了美国国防部高级研究计划局 DRINQS 计划、美国国家科学基金会和美国国防威胁降低局电离辐射与物质相互作用大学研究联盟的部分支持。这项工作中的部分计算是在德克萨斯高级计算中心和麻省理工学院的engaging集群上完成的。