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超冷分子可以提供长久以来的“Qubit”材料

这个带有几个激光束孔的真空室被用来冷却钠 - 钾分子至几百纳克开尔文,或者绝对零度以上十亿分之一的温度。这种分子可以用作一种新的量子位,它是最终量子计算机的基石。

/使用由两个原子组成的超低温分子,麻省理工学院的研究人员展示了一种新方法,该方法可以产生长效配置,可以提供长期寻求的“量子位”材料。 / em

研究人员朝向量子计算机长期追求的目标迈出了重要的一步,量子计算机在理论上应该能够比传统计算机快得多的计算能力,用于某些类型的问题。这项新研究表明,超低温分子可以保留存储在其中的信息,比以前在这些材料中实现的研究人员数百倍。

这些两原子分子由钠和钾组成,并被冷却到绝对零度以上几百万分之一的温度(以数百纳克级或nK测量)。结果在本周的一篇报道中被MIT的物理学教授Martin Zwierlein和麻省理工学院电子研究实验室的主要研究人员发表在“科学”上。前麻省理工学院研究生Jee Woo Park;塞巴斯蒂安威尔,麻省理工学院的前研究科学家,现在是哥伦比亚大学的助理教授,还有两个人,都在麻省理工学院 - 哈佛超冷原子中心。

正在研究许多不同的方法来创建量子比特,这是构建长期理论但尚未完全实现的量子计算机的基本组成部分。研究人员已经尝试使用超导材料,离子陷阱中的离子或单个中性原子,以及复杂程度不同的分子。新方法使用由两个原子组成的非常简单的分子簇。

Zwierlein说:“分子比原子拥有更多的'处理',意味着更多的互相影响和外部影响的方式。 “它们可以振动,可以旋转,实际上它们可以强烈地相互作用,哪些原子很难做到。通常情况下,原子必须真正地彼此相遇,几乎彼此重叠,然后才能看到另一个原子与之相互作用,而分子可以在相对较长的范围内看到彼此。 “为了让这些量子位相互交谈并进行计算,使用分子比使用原子更好。”他说。

Park说:“这种两原子分子用于量子信息处理已经有人提出了”,Park说,“这项工作证明了实现这个新平台的第一个实验步骤,即可以将量子信息存储在偶极分子中延长时间。“

“最令人惊奇的是这些分子是一个可以使用同一物理系统实现量子信息的存储和处理的系统,”Will说。 “这实际上是一个非常罕见的特征,在目前主要考虑的量子比特系统中并不典型。”

在团队最初的原理验证实验室测试中,几千个简单的分子被包含在一个微小气泡中,被捕获在两个激光束的交叉处并冷却到约300纳克的超低温。 Zwierlein说:“分子中的原子越多,它们越难冷却,所以他们选择了这种简单的双原子结构。

分子有三个关键特征:旋转,振动和两个独立原子核的自旋方向。对于这些实验,研究人员在所有三个特征方面都得到了完美控制的分子 - 即进入振动,旋转和核自旋对齐的最低状态。

Zwierlein说:“我们已经能够长时间捕获分子,并且还证明它们可以携带量子信息并持续很长时间,”Zwierlein说。他说,这是“在希望构建量子计算机之前必须具备的重大突破或里程碑之一,这是一项非常复杂的工作。”

Zwierlein说,使用钠钾分子具有许多优点。首先,“分子是化学稳定的,所以如果这些分子中的一个遇到另一个分子,它们就不会分裂。”

在量子计算的背景下,Zwierlein提到的“长时间”是一秒钟 - “实际上它比已经完成的类似实验的时间长数千倍”,他说使用旋转来编码量子比特。 “如果没有额外的措施,那个实验只需要一毫秒,但这已经很棒了。”通过这个团队的方法,系统内在的稳定性意味着“你可以免费获得一秒钟的时间。”

这表明,尽管还有待证明,这种系统将能够在第二次一致性内依次执行数千次量子计算,即所谓的门。最后的结果可以通过显微镜“光学读取”,揭示分子的最终状态。

Zwierlein说:“我们强烈希望我们可以做一个所谓的门 - 这是在这些量子位中的两个之间的操作,比如加法,减法或这种等价的操作 - 几分之一毫秒。 “如果你看一下这个比例,你可能希望在样本中有一致性的时候进行10,000到100,000门操作。对于量子计算机来说,这已经被认为是门操作与连贯时间的比例。“

“下一个伟大的目标将是与个人分子”交谈“。然后我们真的在讨论量子信息,“威尔说。 “如果我们能够俘获一个分子,我们可以捕获两个分子。然后我们可以考虑在彼此相邻的两个分子量子位之间实施“量子门操作” - 一种基本计算方法,“他说。

Zwierlein说,使用大约1000个这样的分子阵列可以进行复杂的计算,以至于现有的计算机甚至无法开始检查可能性。虽然他强调这还只是一个早期的步骤,而且这些计算机可能还有十年甚至更长的时间,但原则上这样的设备可以快速解决目前难以解决的问题,例如分解大量数据 - 这个过程难以形成当今最好的基础用于金融交易的加密系统。

Zwierlein说,除量子计算外,新系统还提供了进行精密测量和量子化学的新方法的潜力。

“这些结果确实是最先进的,”英国杜伦大学物理学教授西蒙科尼什说,他没有参与这项工作。他说:“这些发现”很好地揭示了利用超冷分子中的核自旋态应用于量子信息处理的潜力,作为量子存储器以及探测极性分子中偶极相互作用和超冷碰撞的手段。 “我认为这些结果构成了超低温分子领域的一大进步,并且将广泛关注探索量子科学,相干性,量子信息和量子模拟相关方面的大量研究人员。”

该团队还包括麻省理工学院研究生Zoe Yan和博士后Huanqian Loh。这项工作得到了美国国家科学基金会,美国空军科学研究办公室,美国陆军研究办公室以及大卫和露西尔帕卡德基金会的支持。

出版物:Jee Woo Park等人,“超冷23Na40K分子的第二级核自旋相干时间”,科学28 Jul 2017:Vol。 357,Issue 6349,第372-375页; DOI:10.1126 / science.aal5066

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

 
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