读出信号增强10000倍，碳化硅量子比特取得突破

光子盒研究院出品

在量子计算领域，研究人员仍在努力解决如何轻松读取量子比特中保存的信息，以及增加量子信息保存的时间(量子比特的相干时间)，后者通常被限制在微秒或毫秒内。

美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的一组研究人员实现了两项重大突破，以克服量子系统的这些共同挑战。他们能够按需读出他们的量子比特，然后完整保持量子态5秒钟以上——这是这类设备的新记录。此外，研究人员的量子比特是由一种叫做碳化硅的易于使用的材料制成的，这种材料广泛存在于灯泡、电动汽车和高压电子设备中。

阿贡国家实验室高级科学家、Q-NEXT量子研究中心主任、芝加哥大学分子工程和物理学Liew家族教授、该项目的首席研究员David Awschalom说：“在人类的时间尺度上保存量子信息是不常见的，五秒钟足够向月球发出光速信号并返回。即使在环绕地球近40圈后，这种光仍将正确地反映量子比特状态——为制造分布式量子互联网铺平了道路。”

通过创建一个可以在普通电子设备中制造的量子比特系统，研究人员希望使用一种既可扩展又具有成本效益的技术，为量子创新开辟一条新的途径。

该论文的第一作者之一、芝加哥大学研究生Elena Glen说：“这基本上把碳化硅带入了量子通信平台的前沿。这很令人兴奋，因为它很容易扩大规模，因为我们已经知道如何使用这种材料制造有用的设备。”

研究结果发表在2月2日的《科学进展》[1]杂志上。

实验中使用的芯片由碳化硅制成，碳化硅是一种廉价且常用的材料。

研究人员的第一个突破是使碳化硅量子比特更容易读取。

每台计算机都需要一种方法来读取编码成比特的信息。对于半导体量子比特，正如该团队的量子比特一样，典型的读出方法是用激光寻址量子比特，并测量发射回来的光。然而，这一过程具有挑战性，因为它需要非常有效地探测单光子。

而在这项工作中，研究人员使用精心设计的激光脉冲，根据量子比特的初始量子态(0或1)向其量子比特中添加一个电子。然后使用激光读出量子比特——和以前一样的方式。

量子态的控制和读出。

Glen说：“现在，发射的光反映了电子的存在或不存在，而且信号是原来的1万倍。通过将脆弱的量子态转换成稳定的电子电荷，我们可以非常容易地测量这些状态。有了这种信号增强，每次我们检查量子比特处于什么状态时，都可以得到一个可靠的答案。这种测量被称为‘单次读出’，有了它，我们可以解锁许多有用的量子技术。”

有了单次读出方法，科学家们可以专注于使他们的量子态尽可能持久——这对量子技术来说是一个严峻的挑战，因为量子比特很容易因为环境中的噪声而丢失信息。

研究人员培育了高纯度的碳化硅样品，降低了干扰量子比特功能的背景噪声。然后，通过向量子比特施加一系列微波脉冲，他们延长了量子比特保存量子信息的时间，即“相干性”。

该论文的第一作者之一、芝加哥大学的Chris Anderson说：“这些脉冲通过快速翻转量子态将量子比特与噪声源和错误解耦。每个脉冲就像按下我们量子比特上的撤销按钮，擦除脉冲之间可能发生的任何错误。”

研究人员认为，更长的相干时间都是可能的。延长相干时间会产生重大影响，比如未来量子计算机可以处理多复杂的操作，或者量子传感器可以检测到多小的信号。

Anderson说：“例如，这个新的记录时间意味着，在我们的量子态被扰乱之前，我们可以执行超过1亿次量子操作。”

测得相干时间最高值为5.3±1.3秒，比之前这类系统提高了两个数量级。

科学家们还看到了他们开发的技术的多种潜在应用。Glen 说：“执行单次读出的能力开启了一个新的机会：利用碳化硅量子比特发射的光来帮助开发未来的量子互联网。像量子纠缠这样的基本操作，一个量子比特的状态可以通过读出另一个量子比特的状态来知道，这在碳化硅系统中已经实现了。”

Anderson说：“我们基本上做了一个转换器，把量子态转换到电子领域，这是经典电子学的语言，就像你智能手机里的东西一样。我们希望创造出对单电子敏感的新一代器件，同时也能容纳量子态。碳化硅可以做到这两点，这就是为什么我们认为它真的有前途。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5912

[2]https://phys.org/news/2022-02-quantum-states-seconds.html

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