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MIT工程師發(fā)現(xiàn)一種將原子核控制為“量子比特”的新方法,使用激光，研究人員可以直接控制稱為自旋的原子核特性，它可以編碼量子信息。原則上，基于量子的設(shè)備（如計算機和傳感器）在執(zhí)行許多復(fù)雜任務(wù)方面可以大大優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)。
盡管科技公司以及學術(shù)和政府實驗室進行了大量投資，但在實踐中開發(fā)此類設(shè)備一直是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。
今天最大的量子計算機仍然只有幾百個“量子比特”，即數(shù)字比特的量子等價物。現(xiàn)在，麻省理工學院的研究人員提出了一種制造量子比特并控制它們讀取和寫入數(shù)據(jù)的新方法。
該方法在現(xiàn)階段是理論上的，它基于測量和控制原子核的自旋，使用來自兩個顏色略有不同的激光器的光束。研究結(jié)果在 紙 周二發(fā)表在《華爾街日報》上 物理回顧 X，由麻省理工學院博士生徐浩偉、李菊教授和保拉·卡佩拉羅教授等四位教授撰寫。
長期以來，核自旋一直被認為是基于量子的信息處理和通信系統(tǒng)的潛在構(gòu)建塊，光子也是如此，光子是電磁輻射的離散包或“量子”的基本粒子。但是要哄騙這兩個量子物體一起工作是很困難的，因為原子核和光子幾乎沒有相互作用，而且它們的固有頻率相差六到九個數(shù)量級。
在麻省理工學院團隊開發(fā)的新工藝中，入射激光束的頻率差異與核自旋的躍遷頻率相匹配，推動核自旋以某種方式翻轉(zhuǎn)。
“我們已經(jīng)找到了一種新穎而強大的方法，將核自旋與來自激光的光學光子連接起來，”核科學與工程教授Cappellaro說?！斑@種新穎的耦合機制使它們能夠控制和測量，這使得使用核自旋作為量子比特成為一項更有前途的努力。
研究人員說，這個過程是完全可調(diào)的。例如，可以調(diào)整其中一個激光器以匹配現(xiàn)有電信系統(tǒng)的頻率，從而將核自旋變成量子中繼器，以實現(xiàn)長距離量子通信。
以前利用光來影響核自旋的嘗試是間接的，而是耦合到圍繞該原子核的電子自旋，這反過來又會通過磁相互作用影響原子核。但這需要附近存在不成對的電子自旋，并導(dǎo)致核自旋上的額外噪聲。對于新方法，研究人員利用了許多原子核具有電四極桿的事實，這導(dǎo)致與環(huán)境的電核四極相互作用。這種相互作用可以受到光的影響，以改變原子核本身的狀態(tài)。
“核自旋通常是非常弱的相互作用，”李說，“但是通過利用一些原子核具有電四極桿的事實，我們可以誘導(dǎo)這種直接耦合到核自旋的二階非線性光學效應(yīng)，沒有任何中間電子自旋。這使我們能夠直接操縱核自旋。
除其他外，這可以精確識別甚至繪制材料的同位素，而拉曼光譜是一種基于類似物理學的成熟方法，可以識別材料的化學和結(jié)構(gòu)，但不能識別同位素。研究人員說，這種能力可能有很多應(yīng)用。
至于量子存儲器，目前用于或考慮用于量子計算的典型設(shè)備具有相干時間 - 這意味著存儲的信息可以可靠地保持完整的時間 ,往往以幾分之一秒的微小部分來測量。但是對于核自旋系統(tǒng)，量子相干時間以小時為單位。
由于光子用于通過光纖網(wǎng)絡(luò)的長距離通信，因此將這些光子直接耦合到量子存儲器或傳感設(shè)備的能力可以在新的通信系統(tǒng)中提供顯著的好處，該團隊說。 此外，該效應(yīng)可用于提供將一組波長轉(zhuǎn)換為另一組波長的有效方法?！拔覀冋诳紤]使用核自旋來轉(zhuǎn)導(dǎo)微波光子和光子，”徐說，并補充說這可以為這種翻譯提供比其他方法更大的保真度。
到目前為止，這項工作是理論上的，所以下一步是在實際的實驗室設(shè)備中實現(xiàn)這個概念，可能首先是在光譜系統(tǒng)中?！斑@可能是原理驗證實驗的一個很好的候選者，”徐說。他說，在那之后，他們將處理諸如記憶或轉(zhuǎn)導(dǎo)效應(yīng)之類的量子設(shè)備。
這項工作“為量子技術(shù)提供了新的機會，包括量子控制和量子記憶，”克萊姆森大學物理學助理教授王耀說，他與這項工作無關(guān)。他補充說：“令人印象深刻的是，這項工作還通過準確的第一性原理方法對這些應(yīng)用場景中的預(yù)期觀測結(jié)果進行了非常定量的預(yù)測。我期待著這項技術(shù)的實驗實現(xiàn)，我相信這將吸引量子科學和核技術(shù)領(lǐng)域的許多研究人員。如果想要了解更多，可以添加V信Tops6868，托普仕相關(guān)的老師會為您解疑答惑。
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