近日，麻省理工学院的科学家提出了一种创新的“不平衡回声（unbalanced echo）”策略，该方法使核自旋量子比特的相干时间延长了20倍，从原先的150微秒延长至3毫秒，为开发大规模容错量子计算机铺平了道路。相关研究以“Characterizing Temperature and Strain Variations with Qubit Ensembles for Their Robust Coherence Protection”为题发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》[1]。与降噪耳机使用特定声音频率过滤周围噪音的方式大致相同，该团队开发了一种称为“不平衡回声（unbalanced echo）”的方法来延长系统的相干时间。通过表征特定噪声源（在本例中为热）如何影响系统中的核四极相互作用，该团队能够使用相同的噪声源来抵消核电子相互作用，将相干时间从 150 微秒延长到长达3毫秒。这意味着核自旋量子比特的相干时间实现了20倍的增长。然而，这些改进可能只是一个开始。该研究的第一作者王国庆博士提出了保护协议，王博士表示，在探索其他可能的噪声源时，可能会取得更多进展。“理论上，我们甚至可以将其延长数百甚至数千倍。但实际上，系统中可能还存在其他噪声源，我们已经证明，如果我们能够描述它们，我们就可以消除它们。”美因茨亥姆霍兹研究所物质-反物质部门负责人、约翰内斯古腾堡大学和加州大学伯克利分校教授Dmitry Budker表示：“这篇论文将对未来的量子器件研究产生重大影响。这个团队是量子传感领域的世界领导者，他们不断发明新方法来刺激这个蓬勃发展的领域的发展。”“在这项工作中，他们展示了一种实用的方法，可以通过巧妙的自旋回波技术将核相干时间延长一个数量级，该技术在应用中实施起来应该相对简单。 ”康奈尔大学应用与工程物理学教授 Gregory Fuchs称这项工作“创新且具有深远意义”。“这项研究的重要性在于，尽管从原理上讲，核自旋的相干寿命应该比NV中心的电子自旋更长，但在实际的钻石NV中心实验中，观察到长寿命的核自旋系列仍然是一个巨大的挑战。研究团队展示了一种令人惊讶的策略，这对于核自旋系列的应用，如旋转传感器（陀螺仪），将产生深远的影响。”图｜Refocusing large temperature inhomogeneities。论文中描述的实验和计算涉及金刚石中大约 100 亿个原子级杂质的大型集合，称为氮空位中心或 NV 中心，每个NV中心都具有一个附近的局域电子和氮14核的独特量子自旋态。麻省理工学院的博士后王国庆指出：“虽然它们长期以来一直被认为是量子传感器、陀螺仪、存储器等的理想候选者，但挑战在于找到一种方法让大型 NV 中心协同工作。”“如果你将每次旋转视为一个时钟，那么这 100 亿个时钟都略有不同......并且你无法单独测量它们，”“我们看到的是，当你准备所有这些时钟时，它们最初在开始时彼此同步，但一段时间后，它们完全失去相位。我们称之为失相时间。”“我们的目标是使用十亿个时钟，但实现与单个时钟相同的移相时间，这使您可以通过测量多个时钟获得增强功能，但同时保留相位相干性，因此您不会很快丢失量子信息。”麻省理工学院研究人员于三月份首次概述了温度不均匀性引起的失相的基本理论，该理论与材料特性有关。这篇发表在《物理化学快报》杂志[4]上的论文描述了一种计算温度和应变如何影响不同类型相互作用的理论方法，这些相互作用可能导致退相干。第一种被称为核四极相互作用(nuclear quadrupole interaction)，发生的原因是氮核充当不完美的核偶极子，本质上是亚原子磁体。因为原子核不是完美的球形，它会变形，破坏偶极子，从而有效地与其自身相互作用。类似地，超精细相互作用是核磁偶极子与附近的电子磁偶极子相互作用的结果。这两种类型的相互作用都可以在时空上变化，并且当考虑核自旋量子位的集合时，可能会发生移相，因为“不同位置的时钟可以获得不同的相位”。根据他们之前的论文，该团队推测，如果他们能够描述这些相互作用如何受到热量的影响，他们将能够抵消这种影响并延长系统的相干时间。王博士阐述：“温度和应变都会对这两种相互作用产生影响。我们所提出的理论为我们预测了温度和应变是如何具体影响四极杆和超精细的。进一步地，我们在这项研究中所采用的'不平衡回声’技术，实际上是利用了一种物理相互作用来中和另一种不同的物理相互作用，从而通过它们之间的相关性来消除光谱的漂移。”相对于量子领域中通常使用的自旋回波技术，这项研究的独特之处在于它采用了不同的相互作用噪声进行相互抵消，从而实现了对噪声的高度选择性消除。王博士补充说：“实际上，我们可以利用它来探测温度或应变的时空异质性。这在某些场合，如生物系统中，可能会非常有价值，因为那里即使是微小的温度变化也可能带来巨大的影响。”图｜麻省理工学院基于金刚石 NV 色心的量子传感器（来源：麻省理工学院）
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
