快速跟踪控制加速量子比特的切换

从笔记本电脑到手机，今天的技术在电荷通过电路引导的速度不断提高。通过加速对原子和纳米级系统中量子态的控制，可以在新兴的量子技术领域中实现类似的进步。

芝加哥大学物理学家，能源部(DOE)阿贡实验室，麦吉尔大学和康斯坦茨大学的物理学家之间的国际合作最近展示了一种新的框架，可以更快地控制量子比特 - 这是信息的基本单位。将于11月28日在线发表在“ 自然 - 物理学”杂志上的研究成果。他们对金刚石芯片中单个电子的实验可以使量子器件在高速运行时不易出错。

为了理解这个实验，我们可以看看经典动力学的最终速度设置：印第安纳波利斯500或Daytona 500的椭圆形赛道。为了让赛车以惊人的速度驾驶转弯，赛道的路面被“堆积”起来到30度。路面的向内倾斜允许道路提供的法向力帮助抵消汽车的离心加速度，或者从转弯处向外滑动的趋势。赛车的速度越大，所需的倾斜角度越大。

“量子粒子的动力学行为类似，”麦吉尔大学理论物理学教授Aashish Clerk说。“虽然运动方程式不同，但为了高速准确地改变量子粒子的状态，你需要设计正确的轨道来传递正确的力量。”

Clerk与McGill博士后研究员Alexandre Baksic和Hugo Ribeiro一起，制定了一项新技术，通过巧妙地吸收量子粒子感受到的有害加速度，实现更快的量子动力学。除非经过补偿，否则这些加速度会使粒子从其在量子态空间中的预期轨迹转移，类似于离心加速度如何使赛车偏离轨道上的预定赛车线。

芝加哥大学分子工程研究所的自旋电子学和量子信息教授David Awschalom意识到，在与他自己的团队和Clerk集团成员讨论之后，新理论可以用来加速他实验室中基于钻石的量子器件。然而，正如建造高速公路在土木工程中提出了挑战一样，执行Clerk和同事设想的控制序列也提出了量子工程中的实验挑战。

构建量子快速轨道需要在其金刚石芯片内部缺陷处捕获的单个电子上发出错综复杂形状的同步激光脉冲。这个实验性的成就是由Awschalom集团的成员Brian Zhou和团队成员Christopher Yale，F。Joseph Heremans和Paul Jerger共同完成的。

“我们证明了这些新协议可以将量子位的状态从”关闭“转换为”打开“，比传统方法快300%，”Agonchalom说，他也是Argonne的资深科学家。“从操作时间开始每隔纳秒剃须对于减少量子退相干的影响至关重要，”他解释说，指的是量子信息丢失到环境中的过程。

康斯坦茨大学教授Guido Burkard和博士后Adrian Auer加入了Awschalom和Clerk小组的成员，以检查实验数据。“将这些技术转化为超出实验室的前景是，即使系统没有完全隔离，它们也是有效的，”钻石量子系统领先专家Burkard说。

研究人员预计，他们的方法可以进一步应用于快速准确地控制原子的物理运动或不同系统之间量子态的转移，并为量子应用带来好处，例如安全通信和复杂系统的仿真。