透過外加「磁場」,科學家將量子態時間延長了 1 萬倍!

芝加哥大學研究團隊將量子態維持時間延長了 1 萬倍。圖片來源:The University of Chicago

1980 年代,物理學家費曼提出量子運算的概念,開啟了量子科技的發展。40 年後的今天,雖然 IBM 等企業已推出商用量子電腦,但量子科技離大規模商用仍然很遠;其中一個障礙,就是「量子態」(quantum state)的維持時間過短。想擴大量子科技的應用範圍,科學家必須讓量子態維持超過百萬分之一秒的時間。

近日,芝加哥大學分子工程學院研究出讓量子態延長 1 萬倍的方法,讓量子系統保持 22 毫秒的量子態,突破量子領域的障礙。研究團隊將論文發表在《Science》期刊上。

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量子態維持時間短,且容易受到背景噪音干擾

量子位元運算速度是傳統位元的數億倍,具備產業應用前景,但在商用之前,量子技術有許多限制仍待突破,而量子態的維持就是一個大障礙。量子態維持時間短,很容易受到震動、溫度變化、電磁場等背景噪音干擾,因此量子態需要在極度安靜、穩定的環境運作。

科學家致力延長量子態的維持時間,其中一個常用的方法就是隔離,讓量子系統不被外界震動、電磁場等干擾,但阻絕設備笨重且複雜;另一個方法是將材料的純度提升,但成本高昂。

透過外加磁場,研究團隊將量子態維持時間延長 1 萬倍

而芝加哥大學研究團隊採取截然不同的方法。研究人員 Kevin Miao 表示,研究團隊沒有消除背景噪音,而是透過「小手段」,讓量子系統「以為沒有噪音」。

那個小手段就是磁場。研究團隊將連續交流磁場(continuous alternating magnetic field)串接到用於控制量子系統的電磁脈衝上,藉由調控磁場,研究團隊讓自旋電子快速旋轉,進而讓噪音「消失」。Miao 比喻道,這很像是玩旋轉木馬,在靜止的狀況下,如果有人對你叫,你會聽得很清楚,但如果你開始旋轉,這些聲音就會模糊掉,融入背景環境中。

透過外加磁場,研究團隊讓系統保持 22 毫秒的量子態,延長了大約 1 萬倍。

延長量子態時間,能擴大量子技術的應用場域

延長量子態的意義,在於能擴大量子技術的應用。研究主導教授 David Awschalom 表示,延長量子態,能讓以電子自旋儲存量子資訊的方式變得可行;儲存時間延長後,就能打造更複雜的量子電腦,也讓量子資訊在網路傳播得更遠。

此外,雖然研究團隊僅在固態(solid-state)量子系統做實驗,但研究團隊認為,施加磁場延長量子態的做法應該也能應用於其他的量子系統,例如超導體量子系統或分子量子系統。Miao 表示,目前有許多量子技術,因為無法保持長時間的量子態而被擱置,而這些技術有望因為量子態延長而重新被研究。Miao 進一步表示,外加磁場的最大優點在於容易執行,雖然背後的科學機制很複雜,但外加磁場的做法很直觀。

2019 年底,Google 聲稱取得量子霸權,引發科技界一小段時間的熱烈討論之後,現在量子科技的消息又「安靜」了下來。然而科技的發展就是各種技術突破的累積,雖然累積的過程大多無聲無息,但等到技術累積到一定的程度,突破關鍵障礙,又找到市場應用的時候,它就會用極快的速度顛覆整個世界!

參考資料

Science》、《The University of Chicago》、《PhysOrg

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:The University of Chicago。)

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