工程师们发现了一种将原子核控制为量子比特的新方法

原则上，计算机和传感器等基于量子的设备在执行许多复杂任务方面可以大大优于传统数字技术。但是，尽管科技公司以及学术和实验室进行了大量投资，但在实践中开发此类设备一直是一个具有挑战性的问题。

今天最大的量子计算机仍然只有几百个“量子比特”，即数字比特的量子等价物。

现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种制造量子比特并控制它们读写数据的新方法。该方法在现阶段是理论上的，基于测量和控制原子核的自旋，使用来自两个颜色略有不同的激光器的光束。发表在Physical Review X杂志上的一篇论文描述了这些发现，该论文由麻省理工学院博士生徐浩伟、Ju Li 教授和 Paola Cappellaro 教授以及其他四人撰写。

长期以来，核自旋一直被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在构建模块，光子也是如此，光子是电磁辐射的离散数据包或“量子”的基本粒子。但是让这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有相互作用，而且它们的自然频率相差六到九个数量级。

在麻省理工学院团队开发的新工艺中，入射激光束的频率差异与核自旋的跃迁频率相匹配，推动核自旋以某种方式翻转。

核科学与工程学教授卡佩拉罗说：“我们已经找到了一种将核自旋与来自激光的光子连接起来的新颖而有效的方法。” “这种新颖的耦合机制使它们能够进行控制和测量，这使得使用核自旋作为量子比特成为更有前途的尝试。”

研究人员说，这个过程是完全可调的。例如，其中一个激光器可以被调谐以匹配现有电信系统的频率，从而将核自旋转变为量子中继器以实现长距离量子通信。

以前使用光影响核自旋的尝试是间接的，而是耦合到围绕该原子核的电子自旋，这反过来会通过磁相互作用影响原子核。但这需要附近存在不成对的电子自旋，并导致核自旋产生额外的噪声。对于这种新方法，研究人员利用了这样一个事实，即许多原子核都有一个电四极子，这导致了与环境的电核四极相互作用。这种相互作用会受到光的影响，以改变原子核本身的状态。

“核自旋通常相互作用很弱，”李说。“但通过利用某些原子核具有电四极子这一事实，我们可以诱导这种直接耦合到核自旋的二阶非线性光学效应，而无需任何中间电子自旋。这使我们能够直接操纵核自旋。”

除其他外，这可以允许精确识别甚至绘制材料的同位素图，而拉曼光谱是一种基于类比物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。研究人员说，这种能力可以有很多应用。

至于量子存储器，目前用于或考虑用于量子计算的典型设备具有相干时间——这意味着存储信息可以可靠地保持完整的时间量——往往以几分之一秒来衡量。但是对于核自旋系统，量子相干时间是以小时为单位测量的。

该团队表示，由于光学光子用于通过光纤网络进行长距离通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备的能力可以为新的通信系统带来巨大的好处。此外，该效应可用于提供一种将一组波长转换为另一组波长的有效方法。“我们正在考虑使用核自旋来转换微波光子和光学光子，”Xu 说，并补充说这可以为这种转换提供比其他方法更高的保真度。

到目前为止，这项工作是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实施这个概念，可能首先是在光谱系统中。“这可能是原理验证实验的一个很好的候选者，”Xu 说。他说，在那之后，他们将处理诸如记忆或转导效应之类的量子设备。