搞定「退相干」現象,科學家找到讓量子態持續時間延長 1 萬倍的方法

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 17 日 15:56 | 分類 尖端科技 , 量子電腦 , 電腦 Telegram share ! follow us in feedly


將量子技術從可能變為真實的主要挑戰之一在於如何使超脆弱、不穩定的量子態(Quantum State)持續時間超過幾毫秒(ms),科學家不久前已將這標準提高了 1 萬倍。 

透過處理所謂的「退相干」(decoherence)現象達成這點:退相干是由振動、溫度波動和電磁場干擾引起的周遭雜訊干擾,可輕易終止量子態。「採用這種方法,我們不試圖消除周遭環境的雜訊,」芝加哥大學(University of Chicago)量子工程師 Kevin Miao 表示:「相反的,我們會欺騙系統以為自己沒有感受到雜訊。」

利用旋轉木馬原理遮蔽雜訊,固態量子位元穩定狀態可保持 22 毫秒

透過對稱為固態量子位元(Solid-State Qubit)的量子系統施加連續交變磁場(Alternating Magnetic Field),除了控制這類系統所需的標準電磁脈衝,團隊還能「遮蔽」不必要的雜訊。

研究人員比喻成像坐在旋轉木馬上,轉速愈快,就愈聽不到周遭雜音,因為一切雜音都變得模糊不清。在這種情況下,自旋電子(Spinning Electron)就像旋轉木馬。藉由新方法,固態量子位元系統能保持穩定達 22 毫秒之久,這比之前研究成果的持續時間高 4 個數量級或 1 萬倍,儘管還是比十分之一的眨眼時間短。

Qubit 量子位元是標準電腦位元的量子版,不僅能編碼 1 和 0,還可達讓本身功能更強大的疊加態(Superposition State)。退相干對量子科學家來說無異是一大剋星,其他降低背景雜訊的嘗試多半著眼於完全隔離量子系統(技術上來說非常有挑戰性,再不然就是使用最純粹的材料打造這些系統),但這種系統很快就變得十分昂貴。本文探討的新方法提供更實用的解決方案。

對超導 Qubit、分子量子系統、超級電腦及無法破解網路發展很有幫助

「這個突破為量子科學令人興奮的新研究方法與途徑奠定了基礎,」美國阿崗國家實驗室(Argonne National Laboratory)物理學家 David Awschalom 指出:「這項發現的廣泛適用性,加上非常簡單的實作方式,使這種強大的相干性(Coherence)影響到量子工程許多方面,使以前認為不切實際的新研究商機成為可能。」

研究人員指出,這也可以應用在量子物理學的其他領域,無需太多調整,如超導量子位元(Superconducting Qbit)和分子量子系統(Molecular Quantum System)就是其他可能受益的系統。這涉及從超級電腦到無法破解入侵的網路等各種可能應用領域。雖然我們的量子未來仍然有一段長遠的路要走,但科學每一步進展都讓我們和量子未來的距離縮短。

「目前有許多候選的量子技術,因無法長時間保持量子相干性而被擱置,」Miao 表示:「現在我們可以重新評估這些候選技術,因為能透過這種新方法大幅提高量子相干性。」他進一步表示:「最棒的是,非常容易做到。雖然背後的科學相當錯綜複雜,但新增交變磁場的邏輯卻非常簡單。」研究發表在《科學》期刊

(首圖來源:芝加哥大學