据最新一期《科学进展》报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家取得了量子科学研究的重大突破：他们能够按需读出量子位，并将量子态保持完整超过5秒，从而创下新纪录。此次的量子位由易于获得的碳化硅材料制成，碳化硅目前广泛用于灯泡、电动汽车和高压电子设备中。
实验中使用的芯片由廉价且常用的碳化硅材料制成。图片来源：DAVID AWSCHALOM /芝加哥大学
“在这样的时间尺度上保存量子信息并不常见。”项目首席研究员、阿贡国家实验室高级科学家大卫·奥沙洛姆说，“5秒钟的时间足以向月球发送光信号并实现返回。即使在绕地球近40圈之后，这种光仍能正确反映量子位的状态，这就为制造分布式量子互联网铺平了道路。”
对于半导体量子位，典型的读出方法是用激光寻址量子位并测量其反射回来的光，但这个过程需要非常有效地检测光子。研究人员此次使用精心设计的激光脉冲，根据其初始量子态（0或1）将单个电子添加到其量子位中。
研究人员称，反射的光反映了电子存在与否，且信号几乎增加了10000倍。“通过将脆弱的量子态转化为稳定的电子电荷，我们可以更轻松地进行状态测量。通过信号增强，我们每次检查量子位处于什么状态时，都可获得更为可靠的答案。这种类型的测量称为‘单次读出’，有了它，我们可以解锁相当多的实用型量子技术。”
借助单次读出方法，科学家们还可使量子态尽可能持久，而在以往，量子位很容易因为环境中的噪声而丢失信息。
研究人员为此培养了高度纯化的碳化硅样品，这些样品减少了会干扰其量子位功能的背景噪声。然后通过对量子位施加一系列微波脉冲，就延长了量子位保存信息的时间。
该论文共同第一作者、芝加哥大学的克里斯·安德森说：“这些脉冲通过快速翻转量子态，将量子位与噪声源和错误解耦。每个脉冲就像按下量子位上的撤销按钮，消除脉冲之间可能发生的任何错误。”
研究人员表示，通过创建一个可在普通电子设备中制造的量子位系统，未来有望使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。
在量子领域，延长相干时间会产生重大影响，譬如，未来量子计算机可借此处理更复杂操作，量子传感器也可检测到更小的信号。如今全新的时间纪录，意味着科学家可在量子态被扰乱之前执行超过1亿次量子操作。而执行单次读出的能力更是打开了一扇新窗：未来，我们可利用碳化硅量子位发出的光来帮助开发量子互联网，像量子纠缠之类的“基本操作”，都可用基于碳化硅的系统实现。
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