跳动城乡网新发现推翻了之前的观点，即固态量子位需要在超清洁材料中进行超稀释才能实现长寿命。《自然物理学》上的论文显示，相反，将大量稀土离子塞入晶体中，其中一些离子会形成对，充当高度相干的量子位。
简洁的线条和极简主义，还是复古破旧别致?事实证明，在设计量子计算机的构建模块时，室内设计领域的相同趋势也至关重要。
如何使量子位能够保留足够长的量子信息以发挥作用，是实用量子计算的主要障碍之一。人们普遍认为，量子位长寿命或“相干性”的关键是清洁度。当量子位开始与环境相互作用时，它们会通过称为退相干的过程丢失量子信息。
因此，传统观点认为，让他们远离彼此并远离其他令人不安的影响，他们就有希望生存得更久一些。
在实践中，这种“简约”的量子位设计方法是有问题的。寻找合适的超纯材料并不容易。此外，将量子位稀释到极致使得任何由此产生的技术的扩展都具有挑战性。现在，Paul Scherrer 研究所 PSI、苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的研究人员得出的令人惊讶的结果表明，具有长寿命的量子位如何能够在杂乱的环境中存在。
“从长远来看，如何将其制作到芯片上是所有类型的量子位都普遍讨论的问题。我们没有越来越稀释，而是展示了一种新的途径，可以将量子位挤压得更紧密。” Gabriel Aeppli 是 PSI 光子科学部门的负责人，也是苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的教授，领导了这项研究。
从垃圾中挑选宝石
研究人员用稀土金属铽创建了固态量子位，并将其掺杂到氟化钇锂晶体中。他们表明，在充满稀土离子的晶体中，量子位宝石的相干性比在如此密集的系统中通常预期的相干性要长得多。
“对于给定的量子位密度，我们表明，投入稀土离子并从垃圾中挑选宝石是一种更有效的策略，而不是试图通过稀释将各个离子彼此分离，”马库斯·穆勒解释道，其理论解释对于理解迷惑性的观察结果至关重要。
与使用 0 或 1 来存储和处理信息的经典位一样，量子位也使用可以以两种状态存在的系统，尽管存在叠加的可能性。当量子位由稀土离子创建时，通常会使用单个离子的属性(例如可以向上或向下的核自旋)作为这种两种状态系统。
配对提供保护
该团队可以通过一种完全不同的方法取得成功，因为他们的量子位不是由单个离子形成的，而是由强相互作用的离子对形成的。这些对不是使用单个离子的核自旋，而是基于不同电子壳层状态的叠加形成量子位。
在晶体基质内，只有少数铽离子形成对。该研究的主要作者阿德里安·贝克特(Adrian Beckert)解释说：“如果你将大量铽放入晶体中，偶然会出现离子对，即我们的量子位。这些离子相对罕见，因此量子位本身相当稀。”
那么，为什么这些量子位没有受到混乱环境的干扰呢?事实证明，这些宝石由于其物理特性而不受垃圾的影响。因为它们具有不同的运行特征能量，所以它们无法与单个铽离子交换能量——本质上，它们对它们是盲目的。
“如果你对单个铽进行激发，它很容易跳跃到另一个铽，导致退相干，”穆勒说。“然而，如果激发是在一对铽对上，它的状态是纠缠的，所以它生活在不同的能量下，不能跳跃到单个铽。我必须找到另一对，但它不能，因为下一个一个距离很远。”
量子比特的光芒
研究人员在用微波光谱探测掺铽氟化钇锂时偶然发现了量子位对现象。该团队还利用光来操纵和测量材料中的量子效应，并且同类量子位有望在光学激光的更高频率下运行。这很有趣，因为稀土金属具有光学跃迁，可以轻松地与光接触。
“最终，我们的目标是使用来自 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 或瑞士光源 SLS 的光来见证量子信息处理，”Aeppli 说。这种方法可用于利用 X 射线读出整个量子位集合。
同时，铽是一种有吸引力的掺杂剂选择：它可以很容易地被用于电信的微波范围内的频率激发。在自旋回波测试(一种测量相干时间的成熟技术)期间，研究小组注意到有趣的峰值，其对应的相干性比单个离子上的相干性长得多。
“有一些意想不到的东西潜伏着，”贝克特回忆道。通过进一步的微波光谱实验和仔细的理论分析，他们可以将这些作为对态解开。
“使用正确的材料，连贯性可能会更长”
当研究人员深入研究这些量子位的性质时，他们可以了解保护它们免受环境影响的不同方式，并寻求优化它们。尽管铽对的激发可能很好地屏蔽了其他铽离子的影响，但材料中其他原子上的核自旋仍然可能与量子位相互作用并导致它们退相干。
为了进一步保护量子位免受环境影响，研究人员对材料施加了磁场，该磁场经过调整，可以精确抵消成对的铽核自旋的影响。这导致了本质上非磁性的量子位状态，它对周围“垃圾”原子的核自旋的噪声只有最低限度的敏感度。
一旦纳入这种级别的保护，量子位对的寿命比同一材料中的单个离子长一百倍。
“如果我们开始寻找基于铽对的量子位，我们就不会采用具有如此多核自旋的材料，”艾普利说。“这表明这种方法有多么强大。如果使用正确的材料，一致性可能会更长。” 有了对这种现象的了解，研究人员现在要做的就是优化矩阵。
