近日,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授领导的研究小组和香港中文大学刘仁保教授合作,通过电子自旋共振实验技术,在国际上首次通过固态体系实验实现了最优动力学解耦,极大地提高了电子自旋相干时间。该成果发表10月29日出版的国际权威杂志《自然》上。审稿人认为“该工作有效地保持了固态自旋比特的量子相干性,对固态自旋量子计算的真正实现具有极其重要的意义”。

同期《自然》的《新闻与展望》栏目还发表评述文章中指出:“量子系统不可避免的信息流失局限其现实的应用。然而杜江峰与其同事的研究表明,通过精巧的脉冲控制,使得固态体系环境对电子量子比特的不利影响被降到最小,从而大大减少了量子体系中量子信息的流失。他们所使用的量子相干调控技术被证明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量子信息流失的一个重要资源,取得的研究进展的重要性在于极大提升了现实物理体系的性能,从而朝实现量子计算迈出重要的一步。”

将量子力学和计算机科学结合并实现量子计算是人类的一大梦想。量子计算的本质就是利用量子的相干性,而在现实中,由于环境不可避免地会对量子系统发生耦合干扰,使量子的相干性随时间衰减,发生消相干,使得计算任务无法完成。因此,为了使量子计算成为现实,一个首要急需解决的问题就是克服消相干。

杜江峰教授介绍说,以分解500位的自然整数为例,目前最快的计算机需要用几十亿年才能完成,而用量子计算机,同样的重复频度,一分钟就可以解决。但量子计算如同人类思考问题,也需要一定时间。其时间长短取决于量子的相干性,相干性保持时间越长,量子计算机就可以处理复杂程度更高、难度更大的信息,因此,提高量子相干性,对提高量子计算机的能力十分关键。

为了保持量子相干性,物理学家提出了很多种方法,其中,最优动力学解耦是最有效的方法之一。杜江峰教授介绍说,最优动力学解耦方法就是通过一串精心设计的微波脉冲直接作用于自旋电子,让自旋电子反复翻转,“感受”到的外力上下翻转,消去电子自旋与环境中核自旋之间的耦合,保护电子自旋的量子相干性。

经过多年努力,杜江峰研究小组在科技部、国家基金委、中国科学院、中国科学技术大学的大力支持下,于今年4月成功建立了目前国内唯一可以同时操控电子和核自旋的实验平台。在此基础上,他们第一次在真实固态体系中开展独立实验,实现了最优动力学解耦方案。研究人员用最多7个微波脉冲把一种叫丙二酸的材料里的电子自旋的相干时间从不足二千万分之一秒提高到了近三万分之一秒,这个时间已经能够满足一些量子计算任务的需要。他们的研究显示,即使在常温下,这样的方案也是可以工作的,这为用固态材料研制出能在室温下使用的量子计算机奠定了基础。

研究人员认为,一旦实际固态体系的各种退相干机制被人们所完全了解,高精度的相干控制将更加容易,距离量子计算机的真正实现也不再遥远。

(微尺度物质科学国家实验室、新闻中心联合报道)

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