研究人员发明了拉伸金刚石以获得更好量子比特的新方法

由于芝加哥大学、阿贡国家实验室和剑桥大学的研究人员，未来的量子网络可能会变得不那么容易。

一组研究人员宣布了量子网络工程的突破：通过“拉伸”金刚石薄膜，他们创造了量子比特，可以大大降低设备和费用。这一变化还使位更易于控制。

研究人员希望 11月29日发表在《物理评论X》上的研究结果能够使未来的量子网络更加可行。

“这种技术可以让你大大提高这些系统的工作温度，使其操作它们的资源密集度要低得多，”普利兹克分子工程学院助理教授Alex High说，他的实验室领导了这项研究。

金刚石扩张

量子比特或量子比特具有独特的特性，使它们成为寻找计算网络未来的科学家的兴趣所在——例如，它们可以几乎不受黑客攻击的影响。但是，在它成为一项广泛的日常技术之前，还有重大的挑战需要解决。

主要问题之一在于通过量子网络中继信息的“节点”。构成这些节点的量子比特对热量和振动非常敏感，因此科学家必须将它们冷却到极低的温度才能工作。

“如今，大多数量子比特都需要一个房间大小的特殊冰箱和一个训练有素的团队来运行它，所以如果你正在想象一个工业量子网络，你必须每5或10公里建造一个，现在你谈论的是相当多的基础设施和劳动力，”High解释道。

High的实验室与隶属于芝加哥大学的美国能源部国家实验室阿贡国家实验室的研究人员合作，对这些量子比特的制造材料进行了实验，看看它们是否可以改进这项技术。

最有前途的量子比特类型之一是由钻石制成的。这些量子比特被称为第四组颜色中心，以其在相对较长的时间内保持量子纠缠的能力而闻名，但要做到这一点，它们必须冷却到绝对零度以上一点点。

该团队希望修补材料的结构，看看他们能做出哪些改进——考虑到钻石的坚硬程度，这是一项艰巨的任务。但科学家们发现，如果他们在热玻璃上铺设一层薄薄的钻石膜，他们可以在分子水平上“拉伸”钻石。当玻璃冷却时，它的收缩速度比钻石慢，略微拉伸钻石的原子结构——就像路面随着地球在其下方的冷却或变暖而膨胀或收缩一样，High解释说。

大影响

这种拉伸虽然只能将原子分开极小的量，但对材料的行为方式有巨大的影响。

首先，量子比特现在可以在高达4开尔文（或-452°F）的温度下保持其相干性。这仍然很冷，但可以用不太专业的设备来实现。“这是基础设施和运营成本的一个数量级差异，”High说。

其次，这一变化还使得用微波控制量子比特成为可能。以前的版本必须使用光波长的光来输入信息并操纵系统，这引入了噪声，这意味着可靠性并不完美。然而，通过使用新系统和微波，保真度上升到99%。

同时看到这两个领域的改进是不寻常的，Xinghan Guo解释说，他是High实验室的物理学博士生，也是该论文的第一作者。

“通常，如果一个系统具有更长的相干寿命，那是因为它擅长’忽略’外部干扰 – 这意味着它更难控制，因为它正在抵抗这种干扰，”他说。“非常令人兴奋的是，通过对材料科学进行非常根本的创新，我们能够弥合这一困境。

“通过了解钻石中第四组颜色中心的物理特性，我们成功地根据量子应用的需求定制了它们的特性，”阿贡国家实验室科学家本杰明·平戈特（Benjamin Pingault）说，他也是该研究的合著者。“随着延长的相干时间和通过微波进行可行的量子控制，为量子网络开发基于金刚石的器件的道路对于锡空置中心来说是明确的，”剑桥大学物理学教授、该研究的合著者Mete Atature补充道。

研究人员使用了芝加哥大学的普利兹克纳米制造设施和材料研究科学与工程中心。

其他研究作者包括芝加哥大学的Zixi Li、Benchen Huang、Yu Jin、Tianle Lu、Giulia Galli教授和David Awschalom教授;纳扎尔·德勒根（Nazar Delegan）和本杰明·平戈（Benjamin Pingault）与阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）;以及剑桥大学的Alexander Stramma（共同第一作者），William Roth，Ryan Parker，Jesus Arjona Martinez，Noah Shofer，Cathryn Michales，Carola Purser，Martin Appel，Evgeny Alexeev和Andrea Ferrari。

引文：“基于微波的量子控制和应变调谐金刚石膜异质结构中锡空位自旋量子比特的相干保护”。Guo 等人，Physical Review X，2023 年 11 月 29 日。

资助：空军科学研究办公室、美国能源部 Q-NEXT 国家量子信息科学研究中心、ERC Advanced Grant PEDASTAL、欧盟量子旗舰、美国国家科学基金会、EPSRC/NQIT、约翰·莫纳什爵士将军基金会和 G-research、Winton 计划和 EPSRC DTP、EU Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie Grant。