量子信息科学为许多技术应用带来了希望，例如可以用来构建防黑客攻击的通信网络或有助于发现新药的量子计算机。这些应用需要把信息编码存储在量子比特中。但研究人员仍在努力解决如何轻松读取这些量子比特中保存的信息，并在与量子比特的短暂保持时间作斗争，这个时间尺度通常在微秒或毫秒内。

芝加哥大学的一组研究人员在克服量子系统的这些常见挑战方面取得了两项重大的突破：他们能够按需读取量子比特，然后能保持量子态完整超过5秒钟——这是这类设备的一项新记录。此外，研究人员的量子比特由一种易于使用的被称为碳化硅的材料制成，这种材料被广泛用于灯泡、电动汽车和高压电子设备中。

美国阿贡国家实验室高级科学家、该项目的首席研究员、芝加哥大学分子工程和物理学教授David Awschalom说：“在这种人类肉眼能观察到的时间尺度上保存量子信息并不常见。五秒钟足以向月球发送光信号并返回来。如果你正在考虑通过光将信息从量子比特传输给某人，那将是非常强大的。即使在绕地球飞行近40圈之后，这种光仍能正确反映出量子比特的状态——这为构建分布式量子互联网铺平了道路。”

通过创建一个可以在普通电子设备中制造的量子比特系统，研究人员希望使用一种可扩展且具有成本效益的技术为量子创新开辟一条新途径。该研究结果于上个月发表在《科学进展》杂志上。

该论文的共同第一作者、芝加哥大学研究生Elena Glen说：“这基本上是将碳化硅作为量子通信平台带到了最前沿。这是令人兴奋的，因为它很容易扩大规模，我们也已经知道如何用这种材料制造有用的设备。”

研究人员的第一个突破是使碳化硅量子比特更易于读取。每台计算机都需要一种方法来读取编码到其比特中的信息。对于该团队测量的半导体量子比特，典型的读出方法是用激光寻址量子比特并测量发射回的光。然而，这个过程具有挑战性，因为它需要能非常有效地检测被称为光子的单个光粒子。

相反，该团队研究人员使用精心设计的激光脉冲根据其初始量子态(0或1)将单个电子添加到他们的量子比特中。然后以与以前相同的方式——使用激光——读取量子比特。论文的共同第一作者Elena Glen说：“直到现在，发射出来的光反映的是电子的存在与否，并且其信号几乎增加了1万倍。通过将我们脆弱的量子态转化为稳定的电子电荷，我们可以更容易地测量状态。”

Glen解释说：“有了这种信号增强，我们每次检查量子比特处于什么状态时都可以获得可靠的答案。这种类型的测量被称为‘单次读出’，有了它，我们可以解锁许多有用的量子技术。”

借助这种单次读出方法，科学家们可以专注于使他们的量子态尽可能持久。这是量子技术的一个重大挑战，因为量子比特很容易由于环境中的噪声而丢失信息。该团队研究人员培养了高度纯化的碳化硅样品，这些样品减少了往往会干扰其量子比特功能的背景噪声。然后，通过对量子比特施加一系列的微波脉冲，他们延长了量子比特保存其量子信息的时间。物理学家将持续的这段时间称之为相干时间。

该论文的共同第一作者Chris Anderson博士说：“这些脉冲通过快速翻转量子态将量子比特与噪声源和错误解耦。每个脉冲就像我们按下量子比特上的撤消按钮，会擦除脉冲之间可能发生的任何错误。”

该团队研究人员认为，更长的连贯性应该也是可能的。延长相干时间会产生重大的影响，例如未来量子计算机可以处理的操作能更复杂，或者量子传感器可以检测到更小的信号。Anderson说：“例如，这个新的记录时间意味着我们可以在量子态被扰乱之前执行超过1亿次量子操作。”

科学家们还看到了他们开发的技术有许多潜在应用。Glen说：“执行单次读出的能力开启了一个新的机会，可以利用碳化硅量子比特发出的光来帮助开发未来的量子互联网。诸如量子纠缠之类的基本操作，即其中一个量子比特的量子态可以通过读取另一个量子比特的状态就可以了解，现在也可以用于基于碳化硅的系统。”

Anderson说：“我们基本上已经制作了一个翻译器，可以将量子态转换为电子领域，这是经典电子学的语言，就像智能​​手机中的语言一样。我们希望创造出对单电子敏感的但也承载了量子态的新一代设备。碳化硅可以两者兼得，这就是为什么我们认为它真的很耀眼。”（编译:Qtech）