固态量子比特:忘记干净，拥抱混乱

新的发现揭穿了以前的智慧，即固态量子比特需要在超净材料中超级稀释才能实现长寿命。相反，将大量稀土离子塞入一个晶体中，其中一些会形成配对，充当高度相干的量子比特自然物理学.

干净的线条和极简主义，还是复古破旧的别致?事实证明，在设计量子计算机的构件时，占据室内设计领域的相同趋势也很重要。

如何使量子比特能够将量子信息保留足够长的时间以供使用是实用量子计算的主要障碍之一。人们普遍认为，量子比特长寿命或“相干性”的关键是清洁。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失去量子信息。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，它们有望活得更久一点。

实际上，量子位设计的这种“极简主义”方法是有问题的。找到合适的超纯材料并不容易。此外，将量子位稀释到极致会使任何由此产生的技术的规模扩大都具有挑战性。现在，来自保罗·谢勒研究所、苏黎世联邦理工学院和EPFL大学的研究人员的惊人结果表明，具有长寿命的量子比特如何能够存在于混乱的环境中。

“从长远来看，如何将其集成到芯片上是所有类型量子比特普遍讨论的问题。PSI光子科学部门负责人、苏黎世联邦理工学院和EPFL分校教授加布里埃尔·艾普利说:“我们没有越来越多地稀释量子比特，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压得更紧密。”

从垃圾中挑选宝石

研究人员用稀土金属铽制造了固态量子比特，并将其掺入氟化钇锂晶体中。他们表明，在一个塞满稀土离子的晶体中，量子比特宝石的相干性比这种致密系统中通常预期的要长得多。

马库斯·米勒解释说:“对于给定密度的量子位，我们表明，加入稀土离子并从垃圾中挑选宝石比试图通过稀释将单个离子相互分离更有效。”他的理论解释对于理解令人困惑的观察至关重要。

像使用0或1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。当量子位由稀土离子产生时，通常单个离子的属性(例如可以指向上或指向下的核自旋)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如此成功的原因是，他们的量子位不是由单个离子形成的，而是由强相互作用的成对离子形成的。这些对不是使用单个离子的核自旋，而是基于不同电子层状态的叠加形成量子比特。

在晶体的基质中，只有少数铽离子形成对。“如果你把大量铽扔进晶体，偶然就会出现成对的离子——我们的量子比特。这些相对罕见，因此量子比特本身相当稀释，”该研究的主要作者阿德里安·贝克尔特解释说。

那么为什么这些量子比特不会被它们杂乱的环境所干扰呢?事实证明，这些宝石因其物理特性而与垃圾隔离开来。因为它们运行时具有不同的特征能量，它们不能与单个铽离子交换能量-本质上，它们对铽离子视而不见。

穆勒说:“如果你在一个铽上激发，它很容易跳到另一个铽上，导致退相干。”“然而，如果激发是在铽对上，它的状态是纠缠的，因此它以不同的能量存在，不能跳跃到单铽上。它必须找到另一对，但它不能，因为下一对距离很远。”

照亮量子位

研究人员在用微波光谱探测掺铽氟化钇锂时偶然发现了量子位对现象。该团队还利用光来操纵和测量材料中的量子效应，同类量子比特有望在光学激光的更高频率下工作。这很有趣，因为稀土金属具有光学跃迁，这使得光容易进入。“最终，我们的目标是也使用来自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。这种方法可以用来用X射线读出整个量子比特群。

与此同时，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中——一种公认的测量相干时间的技术——研究小组注意到了有趣的峰值，对应于比单个离子更长的相干性。“有一些意想不到的东西潜伏着，”贝克尔特回忆道。通过进一步的微波光谱学实验和细致的理论分析，他们可以将这些状态分离成对态。

“如果材料合适，相干性甚至可以更长。“

随着研究人员深入研究这些量子比特的性质，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。尽管铽对的激发可能很好地屏蔽了其他铽离子的影响，但材料中其他原子的核自旋仍可能与量子位相互作用并导致它们去核。

为了进一步保护量子位免受环境影响，研究人员对材料施加了一个磁场，该磁场被调整为正好抵消对中铽的核自旋的影响。这导致了基本上非磁性的量子位状态，它们对周围“垃圾”原子的核自旋噪音只有最低程度的敏感性。

一旦包含了这种级别的保护，量子位对的寿命比相同材料中的单个离子长100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，”艾普利说。“这显示了这种方法的强大之处。使用合适的材料，相干性甚至可以更长。”掌握了这一现象的知识，优化矩阵是研究人员现在要做的事情。

来源: Materials provided by Paul Scherrer Institute. Original written by Miriam Arrell.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: A. Beckert, M. Grimm, N. Wili, R. Tschaggelar, G. Jeschke, G. Matmon, S. Gerber, M. Müller, G. Aeppli. Emergence of highly coherent two-level systems in a noisy and dense quantum network. Nature Physics, 2024; DOI: 10.1038/s41567-023-02321-y