研究人员找到了改善量子信息在自旋丰富的材料中存储时间的方法

一个国际科学家团队展示了在保持量子点自旋量子比特的量子相干性方面的飞跃，这是全球推动实用量子网络和量子计算机的一部分。

这些技术将改变广泛的行业和研究工作：从信息传输的安全性，到寻找具有新特性的材料和化学品，再到需要传感器之间精确时间同步的基本物理现象的测量。

自旋光子接口是量子网络的基本构建块，允许将静止的量子信息(例如离子的量子态或固态自旋量子比特)转换为可以远距离分布的光，即光子。一个主要的挑战是找到一个既擅长存储量子信息又能有效地将其转换为光的接口。

光学活性半导体量子点是迄今为止已知的最有效的自旋光子界面，但尽管进行了长达十年的研究工作，但它们的存储时间延长到几微秒以上一直困扰着物理学家。现在，剑桥大学，林茨大学和谢菲尔德大学的研究人员已经证明，有一个简单的材料可以解决这个问题，可以将量子信息的存储提高到一百微秒以上。

量子点是由数千个原子组成的晶体结构。这些原子核中的每一个都有一个磁偶极矩，该磁偶极矩耦合到量子点电子，并可能导致存储在电子量子比特中的量子信息的丢失。研究小组的发现，在由具有相同晶格参数的半导体材料构建的器件中，原子核“感觉”相同的环境并一致地表现。因此，现在可以过滤掉这种核噪声，并在存储时间上实现近两个数量级的改进。

“这是一种全新的光学活性量子点机制，我们可以关闭与原子核的相互作用，并一遍又一遍地重新聚焦电子自旋以保持其量子态，”剑桥卡文迪什实验室的Claire Le Gall说。

“我们在工作中展示了数百微秒，但实际上，现在我们处于这种状态，我们知道更长的连贯时间是可以实现的。对于量子点的自旋，短相干时间是应用的最大障碍，这一发现为此提供了一个清晰而简单的解决方案。

在首次探索百微秒时间尺度时，研究人员惊喜地发现，电子只能看到来自原子核的噪声，而不是设备中的电噪声。这确实是一个很好的位置，因为核系综是一个孤立的量子系统，相干电子将成为大型核自旋系综中量子现象的门户。

另一件让研究人员感到惊讶的事情是从原子核中拾取的“声音”。它并不像最初预期的那样和谐，通过进一步的材料工程，系统的量子相干性还有进一步改进的空间。

“当我们开始使用这项工作中使用的晶格匹配材料系统时，获得具有明确属性和良好光学质量的量子点并不容易，”林茨大学这篇论文的合著者Armando Rastelli说。

“看到最初由好奇心驱动的研究路线在一个相当'异国情调'的系统以及熟练的团队成员Santanu Manna和Saimon Covre da Silva的毅力导致了这些惊人结果的基础上的设备，这是非常有益的。现在我们知道我们的纳米结构有什么好处，我们对与我们的合作者一起进一步设计它们的特性感到兴奋。

“这项研究最令人兴奋的事情之一是驯服一个复杂的量子系统：十万个原子核与控制良好的电子自旋强烈耦合，”卡文迪什博士生Leon Zaporski解释说，他是该论文的第一作者。

“大多数研究人员通过消除所有相互作用来解决将量子比特与噪声隔离的问题。它们的量子比特变得有点像镇静的薛定谔猫，几乎无法对任何拉扯尾巴的人做出反应。我们的'猫'服用了强效兴奋剂，这实际上意味着我们可以从中获得更多的乐趣。

“量子点现在结合了高光子量子效率和长自旋相干时间，”本文的共同作者Mete Atatüre教授解释说。“在不久的将来，我们设想这些设备能够为全光子量子计算创建纠缠光态，并允许核自旋系综的基础量子控制实验。

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