2022-02-08 科技日报北京2月6日电（记者张梦然）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在量子领域取得重大突破科学研究：他们可以通过读出量子比特并保持量子态完整5秒以上，创造了一项新纪录。量子位由现成的碳化硅材料制成，碳化硅材料广泛用于灯泡、电动汽车和高压电子设备。
“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、阿贡国家实验室的高级科学家 David Oshalom 说。 “五秒钟足以向月球发送光信号并返回。”即使在绕地球运行近 40 圈之后，这种光仍然正确反映了量子比特的状态，这为创建分布式量子互联网铺平了道路。”
对于半导体量子比特，典型的读出方法是用激光寻址量子比特并测量它反射回来的光，但这个过程需要非常有效地检测光子。研究人员使用精心制作的激光脉冲将单个电子添加到它们的量子比特中，具体取决于它们的初始量子状态（0 或 1）。
研究人员说，反射光反映了电子的存在与否，信号几乎高出 10,000 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，都可以获得更可靠的答案。这种测量称为'单读数'，有了它，我们可以解锁很多实用的量子技术。”
通过单一的读出方法，科学家们还可以使量子态尽可能持久，而传统上，量子位由于环境中的噪声而容易丢失信息。
研究人员培养高度纯化的碳化硅样品，可降低可能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，延长量子位保存信息的时间。
“这些脉冲通过快速翻转量子态，将量子比特与噪声源和错误解耦，”该论文的共同第一作者、芝加哥大学的克里斯安德森说。 “每个脉冲就像按下量子比特上的撤消按钮，消除了脉冲之间可能发生的任何错误。”
通过创建可以在普通电子设备中制造的量子比特系统，研究人员表示，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。
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在量子领域，延长相干时间可能会产生重大影响，例如，允许量子计算机处理更复杂的操作，让量子传感器检测更小的信号。新的时间记录现在意味着科学家可以在量子态被扰乱之前执行超过 1 亿次的量子操作。而执行单次读出的能力打开了一个新的窗口：未来，我们可以利用碳化硅量子比特发出的光来帮助开发一个量子互联网，其中可以使用基于碳化系统的量子纠缠等“基本操作”在硅中实现。
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