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新浪科技：量子态仅能维持百万分之几秒 简单方法可以延长10000倍新浪科技2020-08-19 09:23:410阅

新浪科技：量子态仅能维持百万分之几秒 简单方法可以延长10000倍新浪科技2020-08-19 09:23:410阅
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图1/2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新浪科技讯 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《科学》（Science）杂志上 。
“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 。
【新浪科技：量子态仅能维持百万分之几秒 简单方法可以延长10000倍新浪科技2020-08-19 09:23:410阅】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” 。 （任天）
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