研究人员打破了室温量子位存储记录

对“束缚激子”量子态的艺术再现，用于准备和读出量子位的状态。（图像：2013 Stef Simmons和CC BY）

在一项新发表的研究中，一个国际研究人员团队详细介绍了他们如何在同位素纯化的硅28中使用磷31供体的集合，以证明室温量子位的存储持续了39分钟。

正常状态下的脆弱量子态在室温下可以存活39分钟，刷新了世界纪录，克服了建造超快量子计算机的主要障碍。

由牛津大学的斯蒂芬妮·西蒙斯（Stephanie Simmons）组成的国际团队在本周的《科学》杂志上报告了一项测试，该测试是加拿大西蒙·弗雷泽大学的Mike Thewalt和同事领导的项目的一部分。在常规计算机中，数据存储为1和0的字符串。在实验中，信息的量子位“量子位”被置于“叠加”状态，其中它们可以同时为1和0，从而使它们能够同时执行多个计算。

在实验中，研究小组将系统的温度从-269C升高到25C，该系统的信息被编码在硅中磷原子的原子核中，°其温度从°-269C到25C，并证明了在这种温和的温度下，叠加态在硅之外可以存活39分钟。这种状态在室温下生存的先前记录是大约两秒钟。研究小组甚至发现，随着系统温度的升高，他们可以操纵量子比特，并且它们足够健壮，可以“冷冻”该信息（通过用于读取量子比特的光学技术只能在非常低的温度下工作）。

“三十九分钟看似不是很长，但是因为翻转磷离子的核自旋仅需花费千分之二十秒（用于进行量子计算的运算类型），理论上可以进行两百万次运算应用于叠加自然衰减1％的时间。论文的作者，牛津大学材料系的斯蒂芬妮·西蒙斯说，拥有如此强大且寿命长的量子位对试图建造量子计算机的任何人都非常有用。

“这为在室温下真正长期保持一致的信息存储提供了可能性，”与加拿大同事在加拿大不列颠哥伦比亚省本那比的西蒙·弗雷泽大学（Simon Fraser University）进行测试的迈克·塞瓦特（Mike Thewalt）说。

该团队从掺有少量其他元素（包括磷）的硅条开始。量子信息编码在磷原子的原子核中：每个原子核都有一个固有的量子特性，称为“自旋”，当置于磁场中时，它的作用就像一块细小的条形磁铁。可以操纵自旋以指向上（0），指向下（1）或它们之间的任何角度，表示两个其他状态的叠加。

研究小组在高于绝对零值（-269C）°的4C处制备了样°品，并将其置于磁场中。其他磁场脉冲用于倾斜核自旋的方向并产生叠加状态。当样品保持在此低温温度下时，大约37％的离子的核自旋（测量量子相干性的典型基准）保持其叠加状态3个小时。当系统温度升至25℃时，相同部分存活了39分钟。°

斯蒂芬妮·西蒙斯（Stephanie Simmons）表示：“这些寿命至少比以前的实验寿命长十倍。”‘我们设法找到了一种基本上没有噪音的系统。它们是高性能的量子比特。’

在团队进行大规模量子计算之前，还有一些工作要做。本实验中使用的大约100亿个磷离子的核自旋都处于相同的量子态。但是，要进行计算，物理学家将需要将不同的量子比特置于不同的状态。席梦思说：“让他们可控地互相交谈–这将解决剩下的最后一个巨大挑战。”

在本周的《科学》杂志上发表了名为“室温下使用硅28的电离供体超过39分钟的室温量子比特存储”的研究报告。

出版物：Kamyar Saeedi等人，“在硅28中使用电离供体的室温量子比特存储超过39分钟，”《科学》杂志2013年11月15日：卷342号6160第830-833页； DOI：10.1126 / science.1239584

图像：席夫·西蒙斯（Stef Simmons）与CC BY