碳化硅量子比特的五秒相干性;原子量子结构;混合量子互联网。
来自芝加哥大学、国家量子科学与技术研究所和Linköping大学的研究人员建立了一个碳化硅的量子比特并且能够保持其相干性，或量子态持续的时间长度，超过5秒。
芝加哥大学分子工程与物理学教授、阿贡国家实验室高级科学家大卫·奥沙隆说:“量子信息保存在这样的人类时间尺度上是不寻常的。”“5秒的时间足以将光速信号发送到月球并返回。如果你想通过光将信息从量子比特传输给某人，这是非常强大的。即使在环绕地球近40圈之后，这些光仍然能正确地反映量子比特的状态，为分布式量子互联网铺平了道路。”
芝加哥大学研究生埃琳娜·格伦(Elena Glen)说:“这基本上把碳化硅作为量子通信平台推向了最前沿。”“这很令人兴奋，因为它很容易扩大规模，因为我们已经知道如何用这种材料制造有用的设备。”
首先，该团队致力于使碳化硅量子位比标准激光读出方法更容易读取。他们首先使用精心设计的激光脉冲，根据量子比特的初始量子态(0或1)，向量子比特中添加一个电子。然后用激光读出量子比特，这是典型的。
格伦说:“只是现在，发射出的光反映了电子的有无，而且信号几乎是原来的1万倍。”“通过将我们脆弱的量子态转换为稳定的电子电荷，我们可以更容易地测量我们的状态。有了这个信号增强，我们每次检查量子比特处于什么状态时都能得到可靠的答案。这种类型的测量被称为“单次读取”，有了它，我们可以解锁很多有用的量子技术。”
实验中使用的芯片是由碳化硅制成的，碳化硅是一种廉价且常用的材料。(摄影:David Awschalom /芝加哥大学)
为了延长量子态持续的时间长度，该团队培养了高度纯化的碳化硅样品，以减少倾向于干扰量子比特功能的背景噪声。然后，通过对量子比特施加一系列微波脉冲，他们延长了量子比特保持相干性的时间。
“这些脉冲通过快速翻转量子态将量子比特与噪声源和错误分离，”当时芝加哥大学的研究人员、现在斯坦福大学的博士后学者克里斯·安德森(Chris Anderson)说。“每个脉冲就像按下量子比特上的撤销按钮，消除脉冲之间可能发生的任何错误。”
Anderson指出，更长的一致性使得更复杂的操作成为可能。“例如，这个新的记录时间意味着我们可以在我们的状态被打乱之前执行超过1亿次量子操作。”
Glen说:“执行单次读取的能力开启了一个新的机会:利用碳化硅量子比特发出的光来帮助开发未来的量子互联网。”“像量子纠缠这样的基本操作，可以通过读取另一个量子比特的状态来了解一个量子比特的量子状态，现在已经成为碳化硅基系统的王牌。”
安德森说:“我们基本上制造了一个翻译器，可以将量子态转换为电子领域，电子是经典电子学的语言，就像你智能手机里的语言一样。”“我们想要创造对单电子敏感的新一代设备，但也包含量子态。碳化硅可以做到这两点，这就是为什么我们认为它真的很发光。”
墨尔本大学、悉尼新南威尔士大学、德累斯顿罗森多夫(HZDR)、莱布尼茨表面工程研究所和RMIT大学的研究人员提出了一种方法构建量子计算机使用一种允许将单个原子嵌入硅片的方法。
该技术可以创建大规模的受控原子计数模式，这样它们的量子态就可以被操纵、耦合和读出。
墨尔本大学(University of Melbourne)教授戴维·贾米森(David Jamieson)表示:“我们相信，通过使用我们的方法，并利用半导体行业已经完善的制造技术，我们最终可以制造出基于单原子量子比特的大规模机器。”
该方法使用原子力显微镜。在原子力显微镜的悬臂上钻了一个小洞，这样当它被磷原子喷淋时，偶尔会有一个磷原子从洞里掉出来，嵌入到硅衬底上。
当原子嵌入硅晶体并通过摩擦耗散能量时，它的动能可以被利用来制造微小的电子“咔哒”声，这使研究小组确定只有一个原子嵌入了衬底。
贾米森说:“一个原子与一块硅碰撞会发出非常微弱的咔哒声，但我们已经发明了非常灵敏的电子设备，用来检测咔哒声，它被放大了很多，并发出响亮而可靠的信号。”“这让我们对我们的方法非常有信心。我们可以说，‘哦，有咔哒声。一个原子刚刚到来。现在我们可以把悬臂移到下一个点，等待下一个原子。’”
新南威尔士大学的科学教授Andrea Morello说，由该技术创造的新量子比特“芯片”可以用于实验室实验，以测试大规模设备的设计。“这将使我们能够在单个原子的大型阵列之间设计量子逻辑运算，在整个处理器上保持高度精确的运算。现在，它们将被有序地排列，类似于传统半导体计算机芯片中的晶体管，而不是将许多原子植入随机位置，然后选择效果最好的原子。”
代尔夫特理工大学(TU Delft)和坎皮纳斯大学(UNICAMP)的研究人员证明了编码在由单个光子组成的量子比特中的信息可以传送到由数十亿原子组成的光机械装置的机械运动。
“就像在经典互联网中发生的那样，量子互联网将需要一个信号中继器网络来将信息分发到世界各地。在我们的研究中，我们获得了一个未知量子态到一个远程量子系统的忠实转移。这一结果使我们能够可视化远程量子通信场景，这是构建未来量子互联网所必需的，”坎皮纳斯大学Gleb Wataghin物理研究所教授蒂亚戈·阿雷格里说。
在实验中，通过光偏振将任意量子态编码在光子量子比特中。光子通过数十米的光纤传输，然后传送到两个硅谐振器，每个谐振器都有数十亿个原子。为了做到这一点，研究人员必须在两个微振子的机械模式之间产生纠缠态，允许在一定距离上操纵这些状态。最后，他们通过从谐振器的存储器中忠实地检索原始量子态，证明了该过程的可靠性。
研究人员指出，虽然量子隐形传态之前已经被证明过，但使用最佳力学设备来接收信号是一种新颖的方法。
“这些设备可以设计成在任何波长下工作，包括红外。这是传输损失最小的波长，所以中继器之间的距离可以更大，”代尔夫特理工大学教授西蒙Gröblacher说。
Alegre说，使这一结果可用于实际应用的下一步将是设计对寄生光吸收具有弹性的光机械系统。“这要归功于这些纳米制造设备的出色灵活性。”
据Gröblacher报道，这项工作是向混合量子互联网迈出的一步，它将与几个物理系统相互通信并执行不同的功能。“我们可以将光学量子中继器节点连接到包含超导量子比特或自旋量子系统的量子计算机或存储器上。所有这些组件必须相互兼容，并在相同的波长下工作，以便忠实地传输量子信息。”
Alegre补充说:“这项研究很重要，因为它证明了创建一个能够互连多个这些系统的多功能平台的可能性。”
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