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據(jù)最新一期《科學(xué)進(jìn)展》報(bào)道，美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家取得了量子科學(xué)研究的重大突破：他們能夠按需讀出量子位，并將量子態(tài)保持完整超過(guò)5秒，從而創(chuàng)下新紀(jì)錄。此次的量子位由易于獲得的碳化硅材料制成，碳化硅目前廣泛用于燈泡、電動(dòng)汽車和高壓電子設(shè)備中。

“在這樣的時(shí)間尺度上保存量子信息并不常見(jiàn)，”項(xiàng)目首席研究員、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家、Q-NEXT量子研究中心主任、芝加哥大學(xué)分子工程和物理學(xué)教授大衛(wèi)·奧沙洛姆說(shuō)，“5秒鐘的時(shí)間足以向月球發(fā)送光信號(hào)并實(shí)現(xiàn)返回。即使在繞地球近40圈之后，這種光仍能正確反映量子位的狀態(tài)，這就為制造分布式量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平了道路。”

對(duì)于半導(dǎo)體量子位，典型的讀出方法是用激光尋址量子位并測(cè)量其反射回來(lái)的光，但這個(gè)過(guò)程需要非常有效地檢測(cè)光子。研究人員此次使用精心設(shè)計(jì)的激光脈沖，根據(jù)其初始量子態(tài)(0或1)將單個(gè)電子添加到其量子位中。

研究人員稱，反射的光反映了電子存在與否，且信號(hào)幾乎增加了10000倍。“通過(guò)將脆弱的量子態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電子電荷，我們可以更輕松地進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量。通過(guò)信號(hào)增強(qiáng)，我們每次檢查量子位處于什么狀態(tài)時(shí)，都可獲得更為可靠的答案。這種類型的測(cè)量稱為‘單次讀出’，有了它，我們可以解鎖相當(dāng)多的實(shí)用型量子技術(shù)。”

借助單次讀出方法，科學(xué)家們還可使量子態(tài)盡可能持久，而在以往，量子位很容易因?yàn)榄h(huán)境中的噪聲而丟失信息。

研究人員為此培養(yǎng)了高度純化的碳化硅樣品，這些樣品減少了會(huì)干擾其量子位功能的背景噪聲。然后通過(guò)對(duì)量子位施加一系列微波脈沖，就延長(zhǎng)了量子位保存信息的時(shí)間。

該論文共同第一作者、芝加哥大學(xué)的克里斯·安德森說(shuō)：“這些脈沖通過(guò)快速翻轉(zhuǎn)量子態(tài)，將量子位與噪聲源和錯(cuò)誤解耦。每個(gè)脈沖就像按下量子位上的撤銷按鈕，消除脈沖之間可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤。”

研究人員表示，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)可在普通電子設(shè)備中制造的量子位系統(tǒng)，未來(lái)有望使用可擴(kuò)展且具有成本效益的技術(shù)，為量子領(lǐng)域的創(chuàng)新開(kāi)辟一條新途徑。

總編輯圈點(diǎn)：

在量子領(lǐng)域，延長(zhǎng)相干時(shí)間會(huì)產(chǎn)生重大影響，譬如，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)可借此處理更復(fù)雜操作，量子傳感器也可檢測(cè)到更小的信號(hào)。如今全新的時(shí)間紀(jì)錄，意味著科學(xué)家可在量子態(tài)被擾亂之前執(zhí)行超過(guò)1億次量子操作。而執(zhí)行單次讀出的能力更是打開(kāi)了一扇新窗：未來(lái)，我們可利用碳化硅量子位發(fā)出的光來(lái)幫助開(kāi)發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)，像量子糾纏之類的“基本操作”，都可用基于碳化硅的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。(科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然)