科学家们已经证明，他们可以通过改变周围晶体的结构使其不那么对称来延长分子量子比特的寿命。这种不对称性可以保护量子位免受噪声影响，使其能够保持信息的时间是对称结构中的五倍。
科学家们已经证明，他们可以通过改变周围晶体的结构使其不那么对称来延长分子量子比特的寿命。这种不对称性可以保护量子位免受噪声影响，使其能够保持信息的时间是对称结构中的五倍。图片来源：麻省理工学院/Dan Laorenza
不对称稳定性
通过打破环境的对称性，科学家们展示了一种新技术，可以延长量子比特保留信息的时间长度。
发生了什么
科学家们已经表明，通过改变周围晶体的结构使其不那么对称，它们可以延长分子量子比特的寿命。
由于不对称性，量子比特免受噪声影响，使其保存信息的时间比对称结构中的信息长五倍。研究小组获得了 10 微秒或百万分之一秒的相干时间（量子比特保持信息的时间），而对称晶体宿主中分子量子比特的相干时间为 2 微秒。
该研究结果发表在Physical Review X杂志上，由来自麻省理工学院、美国能源部 (DOE)的阿贡国家实验室、西北大学、芝加哥大学和格拉斯哥大学。Q-NEXT 是美国能源部国家量子信息科学研究中心，由阿贡运营，资助了这项研究。
一点背景
在噪声或干扰信号破坏信息之前，量子比特只能保留信息这么长时间。延长信息保持稳定的时间长度，即相干时间，是量子信息科学面临的最大挑战之一。
量子比特有不同的类型，其中一种是实验室设计的分子。分子量子比特是模块化的，这意味着它们可以轻松地从一个环境中移动到另一个环境中。相比之下，其他类型的量子比特，例如由半导体制成的量子比特，与它们的环境高度结合。
为什么重要
更长的相干时间：更长的相干时间使量子比特在计算、长距离通信以及医学、导航和天文学等领域的传感等应用中更有用。
模块化：因为相干时间可以通过改变量子比特的外壳或将其放置在相对于其外壳更不对称的位置来延长，所以无需改变量子比特本身来实现更长的寿命。只是改变它的情况。
“分子化学使我们能够更换承载量子比特的晶体材料，并修改量子比特本身，”麻省理工学院FG Keyes 化学教授、论文合著者 Danna Freedman 说。“添加这种新的控制级别非常强大。”
格拉斯哥大学的 Sam Bayliss说：“这种变化是通过交换宿主分子上的单个原子实现的，这是你能得到的最小变化之一，它使相干时间提高了五倍，”他说。共同撰写了这项研究。“这是您从分子中获得的这种原子级可调性的一个很好的证明。化学技术本质上提供了对单个原子水平的控制，这是许多现代技术的梦想。”
可变性：这种对称破坏技术的有效性意味着分子量子位可以在各种环境中运行，即使是那些无法降低噪声的环境。
“我们已经创建了一个新的手柄来修改分子系统中的相干性，”弗里德曼说。“这种新发现的化学控制宿主环境的能力为分子量子位的靶向应用开辟了新空间。”
“虽然与某些系统相比，10 微秒听起来可能不是很长，但请记住，我们没有采取任何措施来减少噪声源。在我们测量的环境中，噪音非常大。所以即使那里有噪音，量子比特基本上也看不到它，”贝利斯说。“为什么我们不直接移除噪声源呢？在实际情况下，并非总是可以在超纯环境中运行。因此，拥有一个可以在嘈杂环境中本质上运行的量子位可能是有利的。”
细节
该团队的量子位由附着在碳基分子上的铬基离子构成。
对于分子量子比特，噪声的主要来源是其周围的磁场。磁场往往会扰乱编码信息的量子比特的能级。晶体的不对称性使量子位免受潜在的破坏性磁场的影响，信息保存时间更长。
除了改善量子比特的特性外，该团队还开发了一种数学工具，可以根据主晶体的结构准确预测任何分子量子比特的相干时间。
“这对我们来说非常令人兴奋，”贝利斯说。“非常令人兴奋的事情之一是，这些系统可以在短时间内取得多大的进步，以及对宿主矩阵的一些修改有多小就可以获得相当显着的改进。”
“我很高兴观察到分子化学的一个新的、令人兴奋的特征，”弗里德曼说。
“这是一个重要的发展。能够精确调整量子比特的环境是分子量子比特的独特优势。这在其他材料系统中不容易做到，”Q-NEXT 主任和论文合著者 David Awschalom 说，他也是阿贡高级科学家、研究和基础设施副院长以及分子工程和物理学的 Liew 家族教授芝加哥大学普利兹克分子工程学院，芝加哥量子交易所主任。“知道我们可以通过设计环境来延长量子比特的寿命，这为量子计算、传感和通信领域的应用开辟了新的可能性。”
参考资料：“通过主矩阵控制增强可光学寻址分子量子位的自旋相干性”，作者：S. L. Bayliss、P. Deb、D. W. Laorenza、M. Onizhuk、G. Galli、D. E. Freedman 和 D. D. Awschalom，2022 年 8 月 18 日，Physical Review X。
DOI：10.1103/PhysRevX.12.031028
该研究由美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心和基础能源科学办公室资助