工程师们发现了控制原子核来编码量子信息的方法

原则上，基于量子的设备，如计算机和传感器，在执行许多复杂任务方面可以大大优于传统的数字技术。但是，尽管科技公司以及学术和政府实验室投入了大量资金，但在实践中开发这种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“量子位”，即数字位的量子等价物。

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取和写入数据的新方法。这种方法在现阶段还只是理论上的，它是基于测量和控制原子核的自旋，使用两种颜色略有不同的激光器发出的光束。研究结果描述在a纸这篇论文发表在周二的《物理评论X》杂志上，由麻省理工学院博士生徐浩伟、李菊、保拉·卡佩拉罗教授和其他四人共同撰写。

核自旋长期以来一直被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在基石，光子也是如此，光子是电磁辐射的离散包或“量子”的基本粒子。但是要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，而且它们的固有频率相差6到9个数量级。

在麻省理工学院团队开发的过程中，入射激光束频率的差异与核自旋的转变频率相匹配，推动核自旋以某种方式翻转。

核科学与工程教授Cappellaro说:“我们发现了一种新颖而强大的方法，可以将核自旋与激光中的光子连接起来。”“这种新颖的耦合机制实现了它们的控制和测量，现在使使用核自旋作为量子比特成为一种更有前途的努力。”

研究人员说，这个过程是完全可调的。例如，其中一种激光器可以调整到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，从而实现远距离量子通信。

以前利用光来影响核自旋的尝试是间接的，而是与原子核周围的电子自旋耦合，而电子自旋反过来又会通过磁相互作用影响原子核。但这要求附近存在未配对电子自旋，并导致核自旋上有额外的噪声。对于新方法，研究人员利用了许多原子核具有电四极的事实，这导致了电核四极与环境的相互作用。这种相互作用可以受到光的影响，从而改变原子核本身的状态。

“核自旋通常相互作用很弱，”李说。“但通过利用一些原子核具有电四极的事实，我们可以诱导这种直接与核自旋耦合的二阶非线性光学效应，而不需要任何中间电子自旋。这使得我们可以直接操纵核自旋。”

纺纱发展的好处

除此之外，这可以精确识别甚至绘制材料的同位素，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，这种能力可能有很多应用。

至于量子存储器，目前正在使用或考虑用于量子计算的典型设备具有相干时间——意味着存储的信息可以可靠地保持完整的时间量——往往以秒的微小分数来测量。然而，在核自旋系统中，量子相干时间是以小时为单位测量的。

该团队说，由于光学光子被用于通过光纤网络进行远程通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备上的能力可以为新的通信系统提供巨大的好处。此外，这种效应可以用来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进行微波光子和光光子的转导，”Xu说，并补充说，这可以提供比其他方法更高的保真度。

到目前为止，这项工作只是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这个概念，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，”徐说。他说，在那之后，他们将解决量子设备，如记忆或转导效应。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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