美国团队使用 SiC 芯片将量子比特保持 5 秒

使用常见材料的突破可以为新的量子技术铺平道路

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室和芝加哥大学的一组研究人员取得了两项重大突破，以克服量子系统的这些共同挑战。他们能够按需读出量子比特，然后将量子状态保持完整超过 5 秒——这是此类器件的新记录。此外，研究人员的量子比特由一种易于使用的材料制成，称为 SiC，这种材料广泛用于灯泡、电动汽车和高压电子产品中。

“在这些人类的时间尺度上保存量子信息并不常见，”阿贡国家实验室的高级科学家、Q-NEXT 量子研究中心主任、芝加哥大学分子工程和物理学教授Liew家族教授、项目负责人 David Awschalom 说。“五秒钟的时间足以向月球发送光速信号并返回。如果您正在考虑通过光将信息从量子位传输给某人，那将是非常强大的。即使在绕地球飞行近 40 圈之后，这种光仍能正确反映量子比特状态——这为构建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学中制造的量子比特系统，研究人员希望使用一种可扩展且具有成本效益的技术为量子创新开辟一条新途径。

“这基本上将 SiC 作为量子通信平台带到了最前沿，”该论文的共同第一作者、芝加哥大学研究生 Elena Glen 说。 “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用这种材料制造有用的器件。”

该研究结果发表在 2 月 2 日的Science Advances杂志上。

“信号量增加 10,000 倍”

研究人员的第一个突破是使 SiC 量子位更容易阅读。

对于半导体量子比特，典型的读出方法是用激光对量子比特进行寻址并测量发射回来的光。然而，这个过程具有挑战性，因为它需要非常有效地检测称为光子的单光子。

相反，研究人员使用精心设计的激光脉冲，根据其初始量子状态（0或1）将单个电子添加到他们的量子位中。然后使用激光用和以前相同的方式读取量子比特。

“直到现在，发射的光才反映电子的存在或不存在，并且信号几乎增加了 10,000 倍，”Glen说。 “通过将我们脆弱的量子态转化为稳定的电子电荷，我们可以更容易地测量我们的状态。通过这种信号增强，我们每次检查量子位处于什么状态时都可以得到可靠的答案。这种类型的测量被称为“单次读出”，有了它，我们可以解锁许多有用的量子技术。”

借助单次读出方法，科学家们可以专注于面对量子技术的一个众人皆知的挑战,就是使他们的量子态尽可能持久，因为量子比特很容易由于环境中的噪声而丢失信息。

研究人员培养了高纯度的 样品，以减少干扰其量子比特功能的背景噪声。然后，通过对量子位施加一系列微波脉冲，他们延长了量子位保存其量子信息的时间，这一概念被称为“相干性”。

“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，”该论文的共同第一作者、芝加哥大学的chris Anderson说。 “每个脉冲就像按下我们量子比特上的撤消按钮，擦除脉冲之间可能发生的任何错误。”

研究人员认为，应该可能有更长的连贯性。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的操作有多复杂，或者量子传感器能检测到的信号有多小。

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

科学家们看到了可以使用所开发的技术的多种潜在应用。

“执行单次读出的能力开启了一个新的机会：利用 量子比特发出的光来帮助开发未来的量子互联网，”Glen说。 “诸如量子纠缠之类的基本操作，其中一个量子位的量子状态可以通过读取另一个量子位的状态来了解，现在已用于基于 SiC 的系统。”

“我们基本上已经制作了一个转换器，可以将量子态转换为电子领域，这是经典电子学的语言，就像你智能手机中的语言一样，”Anderson说。“我们想创造新一代的器件，不仅对单电子敏感，同时能拥有量子态。SiC可以同时做到这两个方面，这就是为什么我们认为它真的很出色。”