量子计算机 脉冲,科学家尝试利用奇异物质状态 化解量子计算面临的主要障碍...

在量子技术的加持下，更高效的计算机、通信和传感设备，有望给现代科技带来翻天覆地的变化。不过在向目标冲锋的过程中，仍需克服一系列的挑战，尤其是量子系统中有效信息的传输方面。好消息是，在发表于《自然通讯》期刊上的多篇论文中，罗彻斯特大学研究人员详细介绍了他们在改善量子系统信息传输方面取得的重大进展。

量子计算芯片与电路板资料图(来自：罗彻斯特大学 / J. Adam Fenster 摄)

与基于“0”和“1”两种比特位的传统晶体管相比，量子计算机上的“量子比特”还可同时为“0”和“1”(叠加态)，从而蕴含了巨大的计算潜力。

然而与普通计算机一样，量子计算机也需要搞定可靠的远距离量子信息传输，只是后者的难度远超想象。

研究配图 1 - 1：半导体量子点自旋链中的 AQT 实验装置

在论文中，该校物理天文学助理教授 John Nichol、研究一作 Yadav Kandel、以及研究生 Haifeng Qiao，详细介绍了如何通过改善量子系统中电子间信息传递的方法，来为量子计算提供助力。

首先(via Nature Communications)：研究团队首次利用电子自旋量子比特，展示了一种在量子比特间传输信息的新方式，也就是所谓的“绝热量子态转移”(AQT)。

与诸多依赖于精心调校的电场或磁脉冲而在量子比特间传递信息的方法不同，AQT 并不会受到脉冲误差和噪声的影响。

研究配图 1 - 2：与时间相关的三自旋海森堡哈密顿量的本征态

至于 AQT 的工作原理，可想象你正在驾驶一辆汽车，并且打算靠边停车。但若你没有在何时的时机踩下刹车，那汽车可能就无法停在预想的位置、并可能产生负面后果。

换言之，你必须精细调节脉冲频率(踩下油门 / 刹车踏板)。但 AQT 的不同之处，在于它无视踏板踩下的力度或时长，就总能停靠在正确的位置。

研究配图 1 - 3：三自旋 AQT

基于此，AQT 有望改善量子比特之间的信息传输，从而对量子网络的纠错产生至关重要的影响，且研究人员领用纠缠证明了 AQT 的有效性。

作为量子物理学的基本概念之一，无论距离相隔有多远，只要其中一个粒子的特性发生了变化、就会同步影响到另一个粒子的特性。

研究配图 1 - 4：AQT 链

AQT 实验期间，研究人员已将一个电子的量子自旋态、转移到了半导体量子点中的四个电子链(具有非凡特性的微小纳米级半导体)。

需要指出的是，这也是迄今为止最长的自旋状态转移链，追平了早期研究者在《自然》论文中创下的纪录。

研究配图 1 - 5：最大耦合强度 / 插值时间之间的影响

John Nichol 补充道：“得益于 AQT 对脉冲误差和噪声具有强大的抵抗力，且其在量子计算应用中存在巨大的潜力，本次演示也是利用自旋量子比特开展量子计算的一个重要里程碑”。

研究配图 2-1：增强自旋交换的另一套实验装置

其次(via Nature Communications)，研究人员介绍了在量子位之间传输信息的另一项技术 ——一种被称作时间晶体晶体(Time Crystals)的奇异物质状态。

研究配图 2-2：Floquet 增强的 π 旋转

所谓时间晶体，特指构成晶体的粒子之间的相互作用，可无限期地稳定系统振荡。你可将之想象成一个永远滴答作响的时钟，其钟摆随着时间摆动。

研究配图 2-3：省略 π 脉冲而无 Floquet 增强

通过在电子上施加一系列电场脉冲，研究人员得以营造出一种类似于时间晶体的状态。然后发现，他们还可利用这种状态，来改善半导体量子点链中电子自旋态的转移。

研究配图 2-4：Floquet 增强的自旋交换

John Nichol 表示，这项工作算是迈出了展示奇异物质状态的第一步，后续将深入探索如何将时间晶体用于潜在的量子信息处理用例，比如在量子位之间传输信息。

研究配图 2-5：保留和生成纠缠态

此外他们在理论上证明了这种场景是如何实现其它量子比特和多量子位操作的，在提升量子计算机性能的同时，还有希望面对构建可行的量子计算机与网络的主要挑战(之一)。