挑战量子教条：密集固态量子比特的惊人成功-DG城市

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一项突破性的研究表明，量子比特是量子计算机的基本单元，即使在密集的环境中也可以实现较长的寿命。这与早期认为量子比特需要在超纯材料中分离的观点相矛盾，揭示了一种稀土离子对形成高度相干量子比特的新方法。

固态量子比特：忘掉干净，拥抱混乱，这是具有长寿命的密集量子比特阵列的新配方。

新发现揭穿了先前的观点，即固态量子比特需要在超洁净材料中超稀释才能实现长寿命。取而代之的是，将大量稀土离子塞入晶体中，其中一些会形成成对，充当高度相干的量子比特，发表在《自然物理学》上的一篇论文。

简洁的线条和极简主义，还是复古的破旧别致？事实证明，在设计量子计算机的构建块时，占据室内设计世界的相同趋势也很重要。

如何使量子比特保持足够长的量子信息以发挥作用是实际量子计算的主要障碍之一。人们普遍认为，具有长寿命或“相干性”的量子比特的关键是清洁度。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丢失量子信息。因此，传统智慧认为，让它们彼此远离，远离其他令人不安的影响，它们有望存活更长的时间。

在实践中，这种“极简主义”的量子比特设计方法是有问题的。找到合适的超纯材料并不容易。此外，将量子比特稀释到极致会使得任何由此产生的技术的放大都具有挑战性。现在，来自Paul Scherrer研究所PSI，苏黎世联邦理工学院和EPFL的研究人员的令人惊讶的结果表明，具有长寿命的量子比特如何在混乱的环境中存在。

“从长远来看，如何将其制成芯片是所有类型的量子比特普遍讨论的问题。我们没有越来越多地稀释，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得更近，“PSI光子科学部门负责人，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院教授Gabriel Aeppli说，他领导了这项研究。

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从垃圾中挑选宝石

研究人员从稀土金属铽中制造了固态量子比特，掺杂到氟化钇锂晶体中。他们表明，在充满稀土离子的晶体中，量子比特宝石的相干性比在如此密集的系统中通常预期的要长得多。

“对于给定密度的量子比特，我们表明，这是一种更有效的策略，即加入稀土离子并从垃圾中挑选宝石，而不是试图通过稀释将单个离子彼此分离，”Markus Müller解释道，他的理论解释对于理解令人困惑的观察至关重要。

与使用 0 或 1 来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。当量子比特由稀土离子创建时，通常使用单个离子的特性（例如可以指向上方或下方的核自旋）作为这种双态系统。

配对提供保护

该团队之所以能够通过完全不同的方法取得如此成功，是因为它们的量子比特不是由单个离子形成的，而是由强相互作用的离子对形成的。这些对不是使用单个离子的核自旋，而是基于不同电子壳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。“如果你把大量的铽扔进晶体里，碰巧就会有成对的离子——我们的量子比特。这些是相对罕见的，所以量子比特本身是相当稀薄的，“该研究的主要作者Adrian Beckert解释道。

那么，为什么这些量子比特不会受到混乱环境的干扰呢？事实证明，这些宝石的物理特性是可以免受垃圾影响的。因为它们具有不同的特征能量，所以它们不能与单个铽离子交换能量——从本质上讲，它们对它们视而不见。

“如果你对单个铽进行激发，它很容易跳到另一个铽上，导致退相干，”Müller说。“然而，如果激发在铽对上，它的状态是纠缠的，所以它生活在不同的能量下，不能跳到单个铽上。它必须找到另一对，但它不能，因为下一对离得很远。

照亮量子比特

研究人员在用微波光谱探测掺铽钇氟化锂时偶然发现了量子比特对现象。该团队还使用光来操纵和测量材料中的量子效应，并且预计相同类型的量子比特将在光学激光的更高频率下运行。这很有意思，因为稀土金属具有光学跃迁，这很容易与光接触。“最终，我们的目标是使用来自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。这种方法可用于用 X 射线读取整个量子比特集合。

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（一种测量相干时间的成熟技术）期间，研究小组注意到了有趣的峰，对应于比单个离子上更长的相干峰。“有一些意想不到的东西潜伏着，”贝克特回忆道。通过进一步的微波光谱实验和仔细的理论分析，他们可以将它们视为对态。