麻省理工学院的物理学家受到降噪耳机的启发，将量子比特的相干时间提高了20倍，标志着量子计算取得了重大进展。该团队使用了一种“不平衡回声”技术来抵消系统噪音，他们相信进一步的改进是可能的。从生物学中的量子传感器到量子存储器的进步，这一突破具有巨大的潜力。

多年来，研究人员尝试了各种方法来诱使量子比特(或量子位，量子计算机的基本组成部分)在更长的时间内保持其量子状态，这是创造量子传感器、陀螺仪和存储器等设备的关键一步。

麻省理工学院的一组物理学家在这一探索中迈出了重要的一步，为了做到这一点，他们从一个不太可能的来源借用了一个概念——降噪耳机。

在巴特尔能源联盟核工程教授、材料科学与工程教授Ju Li和核科学与工程系、电子学研究实验室福特工程教授、物理学教授Paola Cappellaro的领导下，该团队描述了一种将核自旋量子比特的相干时间提高20倍的方法。这项研究发表在《物理评论快报》上。这项研究的第一作者是23岁的王国庆博士，他是Cappellaro实验室最近的一名博士生，现在是麻省理工学院的博士后。

麻省理工学院量子工程小组的这种量子传感器是基于金刚石中的NV中心。它是由研究小组设计和建造的。图片来源:研究人员提供

“这是量子信息的主要问题之一，”李说。“核自旋(集合)是量子传感器、陀螺仪和量子存储器非常有吸引力的平台，(但是)在电子自旋存在的情况下，它们的相干时间约为150微秒……然后信息就消失了。”我们所展示的是，如果我们能够理解这些系统中的相互作用或噪音，我们实际上可以做得更好。”

利用“不平衡回波”扩展相干性

与降噪耳机使用特定声音频率滤除周围噪音的方式大致相同，该团队开发了一种方法，他们称之为“不平衡回声”，以延长系统的相干时间。

通过描述特定噪声源(在本例中是热)如何影响系统中的核四极相互作用，研究小组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3毫秒。

然而，这些改进可能仅仅是个开始。这项研究的第一作者、提出保护方案的王说，随着他们探索其他可能的噪声源，可能会有更多的进展。

“理论上，我们甚至可以将其改进到数百甚至数千倍。但在实践中，系统中可能还有其他噪声源，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。”

这篇论文将对未来量子器件的研究产生“重大影响”，美因茨亥姆霍兹研究所物质-反物质部门的负责人、约翰内斯·古腾堡大学和加州大学伯克利分校的教授德米特里·巴德克(Dmitry Budker)说，他没有参与这项研究。

“(这个团队)是量子传感领域的世界领导者，”他说。“他们不断发明新的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，通过巧妙的自旋回波技术将核相干时间延长一个数量级，这种技术在应用中应该相对容易实现。”

康奈尔大学应用与工程物理学教授格雷戈里·富克斯称这项工作“具有创新性和影响力”。

他说:“这项工作很重要，因为尽管核自旋原则上可以比NV中心的电子自旋具有更长的相干寿命，但任何人都很难在金刚石NV中心实验中观察到长寿命的核自旋系综。”卡佩拉罗教授和她的学生所展示的是一种相当出人意料的策略。这种方法对核自旋集合的应用有很大的影响，比如旋转传感(陀螺仪)。”

用“100亿个时钟”打造传感器

论文中描述的实验和计算处理了一个大集合——大约100亿个——金刚石中被称为氮空位中心的原子级杂质，或NV中心，每个中心都存在于氮14核的特定量子自旋状态，以及附近的局部电子。

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材料，但王解释说，挑战在于找到一种方法，让大量的NV中心协同工作。

王说:“如果你把每一次旋转想象成一个时钟，这100亿个时钟都略有不同……你不能单独测量它们。”“我们看到的是，当你准备好所有这些时钟时，它们一开始是相互同步的，但一段时间后，它们完全失去了相位。我们称这是他们的去相位时间。

他继续说道:“我们的目标是使用10亿个时钟，但要实现与单个时钟相同的去相位时间。”“这可以让你从测量多个时钟中得到增强，但同时你保持了相位相干性，所以你不会很快失去你的量子信息。”

与材料特性相关的温度非均质性诱导脱相的基本理论，是由包括Li、Cappellaro、Wang和其他麻省理工学院研究生在内的一组研究人员在3月份首次提出的。这篇发表在《物理化学快报》上的论文描述了一种理论方法，用于计算温度和应变如何影响可能导致退相干的不同类型的相互作用。

第一种，被称为核四极相互作用，发生是因为氮原子核作为一个不完美的核偶极子-本质上是一个亚原子磁铁。王解释说，因为原子核不是完美的球形，它会变形，破坏偶极子，从而有效地与自身相互作用。同样，超精细相互作用是原子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，当考虑核自旋量子位元的集合时，可能会发生失相，因为“不同位置的时钟可以得到不同的相位”。

根据他们之前的论文，研究小组推测，如果他们能描述这些相互作用是如何受到热量影响的，他们就能抵消这种影响，延长系统的相干时间。

“温度或应变会影响这两种相互作用，”王说。“我们描述的理论预测了温度或应变将如何影响四极杆和超精细，然后我们在这项工作中开发的不平衡回波基本上抵消了由于一种物理相互作用而产生的光谱漂移，使用另一种不同的物理相互作用，利用由相同噪声引起的相关性。”

与量子学界常用的现有自旋回波技术相比，这项工作的关键新颖之处在于，它使用不同的相互作用噪声来相互抵消，从而使被抵消的噪声具有高度的选择性。“然而，令人兴奋的是，我们可以在其他方面使用这个系统，”他继续说。“因此，我们可以用它来感知温度或应变场的时空异质性。这对于像生物系统这样的东西来说可能是相当好的，在生物系统中，即使是非常微小的温度变化也会产生重大影响。”

潜在的应用和未来

王说，这些应用仅仅触及了系统潜在应用的表面。

“这个系统也可以用来检查电动汽车的电流，因为它可以测量应变场，它可以用于非破坏性结构健康评估，”李说。“你可以想象一座桥，如果它上面有这些传感器，我们就可以了解它正在经历什么样的压力。事实上，金刚石传感器已经被用于测量材料表面的温度分布，因为它是一种非常敏感、高空间分辨率的传感器。”

李说，另一个应用可能是在生物学上。研究人员此前已经证明，利用量子传感器从电磁场中绘制神经元活动图可能会带来潜在的改进，从而更好地理解一些生物过程。

论文中描述的系统也可能代表着量子存储器的重大飞跃。

虽然有一些现有的方法可以延长量子比特的相干时间，用于量子存储器，但这些过程很复杂，通常涉及NV中心的“翻转”或反转自旋。虽然这个过程可以扭转导致退相干的光谱漂移，但它也会导致系统中编码的任何信息的丢失。

通过消除扭转自旋的需要，新系统不仅延长了量子比特的相干时间，而且防止了数据的丢失，这是量子计算向前迈出的关键一步。

展望未来，该团队计划研究系统中的其他噪声源，如波动电场干扰，目的是抵消它们，进一步增加相干时间。

“现在我们已经实现了20倍的改进，我们正在研究如何进一步改进，因为从本质上讲，这种不平衡的回声可以实现几乎无限的改进，”李说。“我们还在研究如何将该系统应用于量子陀螺仪的创建，因为相干时间只是构建陀螺仪的一个关键参数，与以前的技术相比，我们还试图优化其他参数，以(了解)我们可以实现的灵敏度。”

参考文献:王国清，Ariel Rebekah Barr，唐浩，陈默，李长浩，许浩伟，Andrew Stasiuk, Li Ju, Paola Cappellaro，“用量子比特集成表征温度和应变变化的鲁棒相干保护”，2023年7月25日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.043602

这项工作得到了国防高级研究计划局DRINQS计划、国家科学基金会和国防威胁减少机构电离辐射与物质大学研究联盟的部分支持。这项工作的部分计算是在德克萨斯高级计算中心和麻省理工学院的接合集群上完成的。