固态量子比特：忘记干净，拥抱混乱
在致密系统中，一些铽离子形成对态。由于它们的独特性质，这些对对附近的单个铽离子是盲目的，这会导致它们失去量子信息。在不受混乱环境影响的情况下，它们可以充当量子比特，具有令人惊讶的长相干寿命。图片来源：Ella Maru Studios。
新发现揭穿了先前的观点，即固态量子比特需要在超洁净材料中超稀释才能实现长寿命。取而代之的是，将大量的稀土离子塞进晶体中，其中一些会形成一对，充当高度相干的量子比特，发表在《自然物理学》上的论文。
简洁的线条和极简主义，还是复古的破旧别致？事实证明，在设计量子计算机的构建块时，占据室内设计世界的相同趋势是必不可少的。
如何使量子比特保持足够长的量子信息以发挥作用是实际量子计算的主要障碍之一。人们普遍认为，具有长寿命或“相干性”的量子比特的关键是清洁度。当量子比特开始与环境相互作用时，它们会通过一个称为退相干的过程丢失量子信息。
因此，传统观点认为，让它们彼此远离，远离其他令人不安的影响，它们有望存活更长的时间。
在实践中，这种“极简主义”的量子比特设计方法是有问题的。找到合适的超纯材料并不容易。此外，将量子比特稀释到极致会使得任何由此产生的技术的放大都具有挑战性。现在，来自Paul Scherrer研究所PSI，苏黎世联邦理工学院和EPFL的研究人员的令人惊讶的结果表明，具有长寿命的量子比特如何在混乱的环境中存在。
“从长远来看，如何将其制成芯片是所有类型的量子比特普遍讨论的问题。我们没有越来越多地稀释，而是展示了一种新的途径，通过这种途径，我们可以将量子比特挤得更近，“PSI光子科学部门负责人，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院教授Gabriel Aeppli说，他领导了这项研究。
从垃圾中挑选宝石
研究人员从稀土金属铽中制造了固态量子比特，掺杂到氟化钇锂晶体中。他们表明，在充满稀土离子的晶体中，量子比特宝石的相干性比在如此密集的系统中通常预期的要长得多。
“对于给定密度的量子比特，我们表明，这是一种更有效的策略，即加入稀土离子并从垃圾中挑选宝石，而不是试图通过稀释将单个离子彼此分离，”Markus Müller解释道，他的理论解释对于理解令人困惑的观察至关重要。
与使用 0 或 1 来存储和处理信息的经典比特一样，量子比特也使用可以以两种状态存在的系统，尽管存在叠加的可能性。当量子比特由稀土离子创建时，通常，单个离子的属性（例如可以指向上方或下方的核自旋）被用作这种双态系统。
配对提供保护
该团队可以通过一种完全不同的方法取得成功，因为它们的量子比特不是由单个离子形成的，而是由强相互作用的离子对形成的。这些对不是使用单个离子的核自旋，而是基于不同电子壳态的叠加形成量子比特。
在晶体基质中，只有少数铽离子形成对。“如果你把大量的铽扔进晶体里，碰巧就会有成对的离子——我们的量子比特。这些是相对罕见的，所以量子比特本身是相当稀薄的，“该研究的主要作者Adrian Beckert解释道。
那么，为什么这些量子比特不会受到混乱环境的干扰呢？事实证明，这些宝石通过其物理特性可以免受垃圾的影响。因为它们具有不同的运行特性能量，所以它们不能与单个铽离子交换能量——从本质上讲，它们对它们视而不见。
“如果你对单个铽进行激发，它很容易跳到另一个铽上，导致退相干，”Müller说。“然而，如果激发在铽对上，它的状态是纠缠的，所以它生活在不同的能量下，不能跳到单个铽上。我必须再找到一对，但不能，因为下一对离我很远。
照亮量子比特
研究人员在用微波光谱探测掺铽钇氟化锂时偶然发现了量子比特对现象。该团队还使用光来操纵和测量材料中的量子效应，并且预计相同类型的量子比特将在光学激光的更高频率下运行。这很有意思，因为稀土金属具有光学跃迁，这很容易与光接触。
“最终，我们的目标是使用来自X射线自由电子激光器SwissFEL或瑞士光源SLS的光来见证量子信息处理，”Aeppli说。这种方法可用于用 X 射线读取整个量子比特集合。
同时，铽是一种有吸引力的掺杂剂选择：它可以很容易地被用于电信的微波范围内的频率激发。正是在自旋回波测试（一种测量相干时间的成熟技术）中，研究小组注意到有趣的峰对应于比单个离子上更长的相干性。
“有一些意想不到的东西潜伏着，”贝克特回忆道。通过进一步的微波光谱实验和仔细的理论分析，他们可以将它们视为对态。
“使用合适的材料，连贯性可以更长”
当研究人员深入研究这些量子比特的本质时，他们可以了解保护它们免受环境影响的不同方式，并寻求优化它们。尽管铽对的激发可以很好地屏蔽其他铽离子的影响，但材料中其他原子的核自旋仍然可以与量子比特相互作用并导致它们退相干。
为了进一步保护量子比特远离环境，研究人员对材料施加了一个磁场，该磁场经过调整，以完全抵消成对的铽核自旋的影响。这导致了本质上是非磁性的量子比特态，它们对周围“垃圾”原子的核自旋的噪声只有最低限度的敏感度。
一旦包括这种保护级别，量子比特对的寿命比相同材料中的单个离子长一百倍。
“如果我们开始寻找基于铽对的量子比特，我们就不会采用具有如此多核自旋的材料，”Aeppli说。“这表明这种方法是多么强大。使用合适的材料，连贯性可能会更长。有了这种现象的知识，优化矩阵是研究人员现在要做的。
更多信息：在嘈杂和密集的量子网络中出现高度相干的两能级系统，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-023-02321-y
期刊信息： Nature Physics