研究人员发明了拉伸金刚石以获得更好量子比特的新方法

感谢芝加哥大学、阿贡国家实验室和剑桥大学的研究人员，未来的量子网络可能会变得不那么困难。一组研究人员宣布在量子网络工程方面取得突破。通过“拉伸”金刚石薄膜，他们创造了量子比特，可以显着减少设备和费用。这一变化还使得这些位更容易控制。

研究人员希望 11 月 29 日发表在《Physical Review X》上的研究结果能够使未来的量子网络更加可行。

领导这项研究的普利兹克分子工程学院助理教授亚历克斯·海伊(Alex High)说：“这项技术可以大幅提高这些系统的运行温度，从而大大减少运行它们所需的资源。”

金刚石膨胀

量子位(或量子位)具有独特的属性，这使得寻找计算网络未来的科学家对它们感兴趣，例如，它们几乎可以免受黑客攻击。但在它成为一种广泛的日常技术之前，还需要解决重大挑战。

主要问题之一在于沿着量子网络中继信息的“节点”。组成这些节点的量子位对热量和振动非常敏感，因此科学家必须将它们冷却到极低的温度才能工作。

“如今，大多数量子位都需要一个房间大小的特殊冰箱和一支训练有素的人员团队来运行它，所以如果你想象一个工业量子网络，你必须每五公里或十公里建造一个，现在你我们正在谈论相当多的基础设施和劳动力，”海伊解释道。

海伊的实验室与阿贡国家实验室(隶属于芝加哥大学的美国能源部国家实验室)的研究人员合作，对制造这些量子位的材料进行实验，看看是否可以改进这项技术。

最有前途的量子位类型之一是由钻石制成的。这些量子位被称为 IV 族色心，以其在相对较长时间内保持量子纠缠的能力而闻名，但要做到这一点，它们必须冷却到仅略高于绝对零。

该团队想要修补材料的结构，看看可以做出哪些改进——考虑到钻石的硬度，这是一项艰巨的任务。但科学家们发现，如果他们在热玻璃上铺上一层金刚石薄膜，他们就可以在分子水平上“拉伸”金刚石。High 解释说，当玻璃冷却时，它的收缩速度比钻石慢，从而稍微拉伸了钻石的原子结构，就像路面随着其下方的地球冷却或变暖而膨胀或收缩一样。

影响大

这种拉伸虽然只会使原子分开极小的距离，但会对材料的行为产生巨大的影响。

首先，量子位现在可以在高达 4 开尔文(或 -452°F)的温度下保持相干性。这仍然很冷，但可以用不太专业的设备来实现。“基础设施和运营成本存在一个数量级的差异，”海伊说。

其次，这一变化还使得用微波控制量子位成为可能。以前的版本必须使用光波长的光来输入信息并操纵系统，这会引入噪声并意味着可靠性并不完美。然而，通过使用新系统和微波炉，保真度达到了 99%。

博士生郭兴汉解释说，同时看到这两个领域的进步是不寻常的。高中实验室物理学专业的学生，​​也是该论文的第一作者。

“通常，如果一个系统具有较长的相干寿命，那是因为它善于‘忽略’外部干扰，这意味着它更难控制，因为它正在抵抗这种干扰，”他说。“非常令人兴奋的是，通过材料科学的根本性创新，我们能够克服这一困境。”

“通过了解钻石中 IV 族色心的物理原理，我们成功地根据量子应用的需求定制了它们的特性，”该研究的合著者、阿贡国家实验室科学家本杰明·平格特 (Benjamin Pingault) 说道。

剑桥大学物理学教授、合著者 Mete Atature 补充道：“通过延长相干时间和通过微波进行可行的量子控制相结合，开发用于量子网络的基于金刚石的器件对于锡空位中心来说是明确的。”关于研究。