阿貢實(shí)驗(yàn)室近日報道稱，在國家量子信息科學(xué)研究中心（Q-NEXT）支持的工作中，他們的研究人員發(fā)明了“拉伸”金剛石薄膜以創(chuàng)造更具成本效益和可控量子比特的新方法，這將有助于為量子基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)鋪平道路，未來的量子網(wǎng)絡(luò)可能不再那么遙不可及。參與該項(xiàng)研究工作的還有芝加哥大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員。
量子比特（或量子位）具有獨(dú)特的屬性，例如，它們幾乎可以免受黑客攻擊，這使得尋找計算網(wǎng)絡(luò)未來的科學(xué)家對它們非常感興趣。但在它成為一種廣泛使用的常規(guī)技術(shù)之前，還需要解決一些重大挑戰(zhàn)。其中一個主要問題在于沿著量子網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的“節(jié)點(diǎn)”，組成這些節(jié)點(diǎn)的量子位對熱量和振動非常敏感，因此科學(xué)家們必須將它們冷卻到極低的溫度才能工作。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授Alex High打比方說：如今，大多數(shù)量子位都需要一個房間大小的特殊冰箱和一支訓(xùn)練有素的人員團(tuán)隊來運(yùn)行它，因此，如果建設(shè)一個工業(yè)量子網(wǎng)絡(luò)，就必須每隔5公里或10公里建造一個，這需要相當(dāng)多的基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力。Alex High的實(shí)驗(yàn)室與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，對制造這些量子位的材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，看看是否可以改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。
*有前途的量子比特之一是由金剛石制成的，被稱為“第四組色心”，這些量子比特以其在相對較長時間內(nèi)維持量子糾纏的能力而聞名，但要做到這一點(diǎn)，它們必須冷卻到僅略高于*零度的溫度。研究團(tuán)隊希望改進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)，但考慮到金剛石的硬度，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果在熱玻璃上鋪上一層金剛石薄膜，就可以在分子水平上“拉伸”金剛石。AlexHigh解釋說，當(dāng)玻璃冷卻時，它的收縮速度比金剛石慢，從而稍微拉伸了金剛石的原子結(jié)構(gòu)，就像路面隨著地面的冷卻或升溫而膨脹或收縮一樣。
盡管這種拉伸僅使原子彼此分開極微小的一部分，但卻對材料的行為產(chǎn)生了巨大的影響。首先，量子比特現(xiàn)在可以在高達(dá)4開爾文（零下452華氏度）的溫度下保持相干性，這溫度雖然低，但可以用不太專業(yè)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營成本會存在一個數(shù)量級的差異。其次，這一變化還使得用微波控制量子比特成為可能。以前的技術(shù)必須使用光波長的光來輸入信息并操縱系統(tǒng)，這會引入噪聲并意味著可靠性并不*；然而通過使用新系統(tǒng)和微波控制，保真度達(dá)到了99%。
研究人員表示，同時看到這兩個領(lǐng)域的進(jìn)步是不尋常的，通常如果一個系統(tǒng)具有較長的相干壽命，那是因?yàn)樗瞄L“忽視”外部干擾，這意味著它更難控制，但通過材料科學(xué)的根本性創(chuàng)新就能夠克服這一困境。另一方面，隨著延長相干時間和通過微波進(jìn)行可行的量子控制的結(jié)合，開發(fā)用于量子網(wǎng)絡(luò)的金剛石基器件的道路是明確的。
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