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。
研究論文傳送門
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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