阿貢實驗室近日報道稱,在國家量子信息科學(xué)研究中心(Q-NEXT)支持的工作中,他們的研究人員發(fā)明了“拉伸”金剛石薄膜以創(chuàng)造更具成本效益和可控量子比特的新方法,這將有助于為量子基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)鋪平道路,未來的量子網(wǎng)絡(luò)可能不再那么遙不可及。參與該項研究工作的還有芝加哥大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員。
量子比特(或量子位)具有獨特的屬性,例如,它們幾乎可以免受黑客攻擊,這使得尋找計算網(wǎng)絡(luò)未來的科學(xué)家對它們非常感興趣。但在它成為一種廣泛使用的常規(guī)技術(shù)之前,還需要解決一些重大挑戰(zhàn)。其中一個主要問題在于沿著量子網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的“節(jié)點”,組成這些節(jié)點的量子位對熱量和振動非常敏感,因此科學(xué)家們必須將它們冷卻到極低的溫度才能工作。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授Alex High打比方說:如今,大多數(shù)量子位都需要一個房間大小的特殊冰箱和一支訓(xùn)練有素的人員團隊來運行它,因此,如果建設(shè)一個工業(yè)量子網(wǎng)絡(luò),就必須每隔5公里或10公里建造一個,這需要相當(dāng)多的基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力。Alex High的實驗室與阿貢國家實驗室的研究人員合作,對制造這些量子位的材料進行了實驗,看看是否可以改進這項技術(shù)。
*有前途的量子比特之一是由金剛石制成的,被稱為“第四組色心”,這些量子比特以其在相對較長時間內(nèi)維持量子糾纏的能力而聞名,但要做到這一點,它們必須冷卻到僅略高于*零度的溫度。研究團隊希望改進材料的結(jié)構(gòu),但考慮到金剛石的硬度,這是一項艱巨的任務(wù)。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),如果在熱玻璃上鋪上一層金剛石薄膜,就可以在分子水平上“拉伸”金剛石。AlexHigh解釋說,當(dāng)玻璃冷卻時,它的收縮速度比金剛石慢,從而稍微拉伸了金剛石的原子結(jié)構(gòu),就像路面隨著地面的冷卻或升溫而膨脹或收縮一樣。
盡管這種拉伸僅使原子彼此分開極微小的一部分,但卻對材料的行為產(chǎn)生了巨大的影響。首先,量子比特現(xiàn)在可以在高達4開爾文(零下452華氏度)的溫度下保持相干性,這溫度雖然低,但可以用不太專業(yè)的設(shè)備來實現(xiàn),基礎(chǔ)設(shè)施和運營成本會存在一個數(shù)量級的差異。其次,這一變化還使得用微波控制量子比特成為可能。以前的技術(shù)必須使用光波長的光來輸入信息并操縱系統(tǒng),這會引入噪聲并意味著可靠性并不*;然而通過使用新系統(tǒng)和微波控制,保真度達到了99%。
研究人員表示,同時看到這兩個領(lǐng)域的進步是不尋常的,通常如果一個系統(tǒng)具有較長的相干壽命,那是因為它擅長“忽視”外部干擾,這意味著它更難控制,但通過材料科學(xué)的根本性創(chuàng)新就能夠克服這一困境。另一方面,隨著延長相干時間和通過微波進行可行的量子控制的結(jié)合,開發(fā)用于量子網(wǎng)絡(luò)的金剛石基器件的道路是明確的。
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