碳化硅量子比特刷新纪录：量子态保持超5秒，信号增强万倍

近期，科学家获量子领域研究重大突破：首次实现按需读出量子比特，并将量子态保持超过5秒。

量子技术为许多技术应用带来了希望，比如建立防御黑客的通信网络，又例如能够加速发明新药的量子计算机。量子计算机运行的是能够存储量子信息的量子比特。

但科学家仍致力于研究如何轻松读取量子比特中保存的信息，以及增加量子信息的保存时间(即量子比特的相干时间，通常限于微秒或毫秒内)。

美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学研究人员在此类研究中取得两项重大突破：他们实现了按需读出量子比特，将量子态保持超过5秒，创下了最新世界纪录。此外，研究人员的量子比特由廉价且常用的碳化硅材料制成，这种材料可广泛应用于灯泡、电动汽车和高压电子设备中。相关成果近期发表在《科学进展》(Science Advances)上。

图片来自《科学进展》(Science Advances)

“增强一万倍的信号”

研究人员的第一个突破是使碳化硅的量子比特更容易读取。

每台计算机都需要一种方法来读取被编码成比特的信息。对于半导体量子比特，典型的读出方法是用激光寻址量子比特，并测量反射回来的光。但这个过程需要非常有效地检测光子。

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状态(0或1)，将单个电子添加到其量子比特中，然后用激光读取量子比特。

研究人员称，反射的光反映了电子是否存在，信号强度几乎增强了一万倍。论文第一作者、芝加哥大学研究生Elena Glen表示，“通过将脆弱的量子态转化成稳定的电子电荷，我们可以更容易地进行状态测量。通过信号增强，每次检查量子比特处于什么状态时，都能获得一个可靠的答案。这种类型的测量被称为‘单次读出’。有了它，我们可以解锁很多有用的量子技术。”

借助单次读出方法，科学家们还能使量子态尽可能持久，而以往，量子比特很容易因为环境噪声而丢失信息。

实验中使用的芯片由碳化硅材料制成，图片来自芝加哥大学

研究人员为此培养了高度纯化的碳化硅样品，以减少干扰其量子比特功能的背景噪声。然后通过对量子比特施加一系列微波脉冲，延长量子比特保存信息的时间。延长量子比特相干时间有重要的作用，例如未来量子计算机能处理非常复杂的操作，或者量子传感器能检测到极其微小的信号。

“这些脉冲通过快速翻转量子态，将量子比特与噪声源和误差解耦，”论文共同第一作者Chris Anderson说，“每一次脉冲就像是在量子比特上按下了撤销按钮，消除了脉冲之间可能发生的任何错误。”

“量子态保持超5秒”

研究人员表示，目前量子态保持超过5秒的纪录，意味着在量子态被打乱之前可以执行超过1亿个量子操作。

“在这样的时间尺度上保存量子信息非常罕见。”项目首席研究员、阿贡国家实验室高级科学家David Awschalom说，“5秒钟的时间足以将光速信号发送到月球并返回。即使在绕地球近40圈后，这种光仍能正确反映量子比特的状态，这为制造分布式量子互联网铺平了道路。”

研究人员认为，此次研究将碳化硅带到了量子通信平台的最前沿。由于碳化硅廉价且常用，很容易用于多种设备中，因此碳化硅材料有助于扩大量子网络规模。

量子态的控制和读出，图片来自论文

科学家们还看到了这项研究的多种潜在应用。

“单次读出的能力开启了一个新的机遇：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，”Glen说，“像量子纠缠这样的基本操作，一个量子态可以通过读取另一个量子态来了解，现在已经在碳化硅系统中实现了。”

研究人员基本完成了一个转换器，可以将量子态转换到电子领域。“我们希望创造对单个电子敏感的新一代器件，同时也容纳量子态。碳化硅能够做到这两点，这就是我们为什么认为它具有前途。”Anderson表示。

研究人员认为，通过创建一个可在普通电子设备中制造的量子比特系统，未来有望利用可扩展且具有成本效益的技术，为量子领域的创新开辟一条新途径。