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標題: 物理學家利用13000個糾纏的自旋來釋放「暗態」的力量 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2025-2-6 10:53 AM 標題: 物理學家利用13000個糾纏的自旋來釋放「暗態」的力量

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　　科學家們利用多體物理將量子點轉變為可擴展的﹑穩定的量子節點。通過將核自旋糾纏到「暗態」﹐研究團隊創造了一種量子寄存器﹐能夠高保真地存儲和檢索量子信息。這一飛躍使量子網絡更接近現實﹐為通信和計算開啟了新的可能性。發表在《自然物理學》上的這項研究引入了一種新型的光連接量子比特。這是開發需要穩定﹑可擴展和可適應量子節點的量子網絡的重要一步。
　　量子點是由量子力學推導出的具有獨特光學和電子特性的納米級結構。它們已經用於顯示屏和醫學成像等技術﹐由於能夠發射單光子﹐它們在量子通信中引起了人們的注意。這一突破證明了多體物理學在改造量子器件方面所具有的力量。然而﹐構建有效的量子網絡需要的不僅僅是光子發射。他們還需要穩定的量子比特﹐可以與光子相互作用並在本地存儲量子信息。這項研究利用量子點內的原子自旋﹐將它們用作能夠長時間存儲信息的多體量子寄存器。
　　多體系統指的是相互作用的粒子的集合﹐這裡指的是量子點內部的核自旋﹐它們的集體行為產生了新的﹑湧現的特性﹐而這些特性在單個組件中是不存在的。通過使用這些集體狀態﹐研究人員創造了一個強大且可擴展的量子寄存器。劍橋大學的研究小組與林茨大學的同事密切合作﹐成功地將13000個核自旋轉化為一種被稱為「暗態」的集體糾纏態。這種暗態減少了與環境的相互作用導致更好的相干性和穩定性並作為量子寄存器的邏輯「零」狀態。
　　他們引入了一個互補的「一」狀態﹐作為一個單一的核磁振子激發﹐一種代表相干波狀激發的現象﹐涉及一個核自旋翻轉在核系綜中傳播。總之﹐這些狀態使量子信息能夠以高保真度被寫入﹑存儲﹑檢索和讀出。研究人員用一個完整的操作週期證明了這一點﹐實現了近69%的存儲保真度和超過130微秒的相干時間。這是量子點作為可擴展量子節點向前邁出的重要一步。
　　「這一突破證明了多體物理學在轉變量子器件方面的力量﹐」該研究的共同主要作者﹑卡文迪什實驗室的物理學家說。「通過克服長期存在的局限性﹐我們展示了量子點如何作為多量子比特節點﹐為量子網絡在通信和分佈式計算中的應用鋪平了道路。在2025年國際量子年﹐這項工作還突顯了卡文迪什實驗室在實現量子技術前景方面取得的創新進展。」。
　　這項工作代表了半導體物理學﹑量子光學和量子信息理論的獨特結合。研究人員利用先進的控制技術在砷化鎵(GaAs)量子點中極化核自旋﹐為穩健的量子操作創造了低噪聲環境。「通過應用量子反饋技術和利用GaAs量子點的顯著均勻性﹐我們已經克服了由不受控制的核磁相互作用引起的長期挑戰﹐」該項目的共同主要作者﹑量子技術研究人員解釋說。「這一突破不僅將量子點確立為可操作的量子節點﹐而且為探索新的多體物理和新興量子現象打開了一個強大的平台。」
　　展望未來﹐劍橋團隊的目標是通過改進他們的控制技術﹐將他們的量子寄存器存儲信息的時間延長到幾十毫秒。這些改進將使量子點適合作為量子中繼器中的中間量子存儲器﹐量子中繼器是連接遠程量子計算機的關鍵組件。這一雄心勃勃的目標是他們與林茨和其他歐洲合作夥伴合作的新QuantERA基金MEEDGARD的重點﹐旨在利用量子點推進量子存儲技術。他們目前的研究得到了EPSRC﹑歐盟﹑美國海軍研究辦公室和英國皇家學會的支持。

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