物理學家利用13000個糾纏自旋，開啟「暗態」之門

科學家運用多體物理學，成功將量子點轉化為可擴充套件、穩定的量子節點。他們把原子核自旋糾纏成「暗態」，創造出一個能夠高保真度儲存和提取量子資訊的量子暫存器。這一重大突破讓量子網路更接近現實，為通訊和計算領域開啟了全新的可能性。

這項研究成果發表於《自然物理學》（Nature Physics）期刊。《自然物理學》是一份享有盛譽、經同儕審查的科學期刊，自2005年創刊以來，發表了物理學各領域的高品質研究。它屬於《自然》系列期刊，在科學界影響深遠。該期刊涵蓋基礎物理學、應用物理學，以及物理學與其他學科交叉的跨領域研究，旨在聚焦該領域最具影響力和前沿性的研究，提供理論、實驗和應用物理學方面的深刻見解，還會刊登有關物理學界重大進展和問題的評論、新聞等。這項研究引入了一種新型的光連線量子位元，是發展量子網路的重要一步，量子網路需要穩定、可擴充套件且適應性強的量子節點。

量子點是具有量子力學特性的奈米級結構，擁有獨特的光學和電子性質。它們已經應用於顯示螢幕和醫學成像等技術中，因其能夠發射單個光子，在量子通訊領域備受關注。

然而，構建有效的量子網路不僅僅需要光子發射。它們還需要能夠與光子相互作用並在本地儲存量子資訊的穩定量子位元。這項研究利用了量子點內部的原子自旋，將其作為一個能夠長時間儲存資訊的多體量子暫存器。

多體系統指的是相互作用的粒子集合，在這裡就是量子點內部的原子核自旋。這些粒子的集體行為產生了新的、單個組分所沒有的突現性質。研究人員利用這些集體態，創造出一個強健且可擴充套件的量子暫存器。

劍橋大學團隊與林茨大學的同事密切合作，成功地將13000個原子核自旋準備成一種稱為「暗態」的集體糾纏自旋態。這種暗態減少了與環境的相互作用，從而提高了相干性和穩定性，並作為量子暫存器的邏輯「零」態。

他們還引入了一個互補的「一」態，即單個原子核磁振子激發——這是一種涉及單個原子核自旋翻轉並在原子核集合中傳播的相干波狀激發現象。這兩種態共同使得量子資訊能夠以高保真度進行寫入、儲存、提取和讀取。

研究人員透過一個完整的操作週期證明瞭這一點，實現了近69%的儲存保真度和超過130微秒的相干時間。這對於量子點作為可擴充套件量子節點來說是一個重大進步。

該研究的共同第一作者、卡文迪許實驗室的物理學教授梅特·阿塔圖雷（Mete Atatüre）表示：「這一突破證明瞭多體物理學在轉化量子裝置方面的強大力量。透過克服長期存在的限制，我們展示了量子點如何能夠作為多量子位元節點，為通訊和分散式計算領域的量子網路應用鋪平道路。在2025國際量子年，這項工作也凸顯了卡文迪許實驗室在實現量子技術承諾方面所取得的創新性進展。」

這項工作是半導體物理學、量子光學和量子資訊理論的獨特結合。研究人員利用先進的控制技術使砷化鎵（GaAs）量子點中的原子核自旋極化，為強健的量子操作創造了低噪聲環境。

該專案的共同第一作者、量子技術副教授多里安·岡洛夫（Dorian Gangloff）解釋道：「透過應用量子反饋技術並利用砷化鎵量子點的卓越均勻性，我們克服了由不受控制的核磁相互作用引起的長期挑戰。這一突破不僅使量子點成為可執行的量子節點，還開啟了一個強大的平臺，用於探索新的多體物理學和突現量子現象。」

展望未來，劍橋大學團隊的目標是透過改進控制技術，將量子暫存器的資訊儲存時間延長至數十毫秒。這些改進將使量子點適合作為量子中繼器中的中間量子記憶體，而量子中繼器是連線遠距離量子電腦的關鍵元件。

這一雄心勃勃的目標是他們新獲得的QuantERA資助專案MEEDGARD的重點，該專案與林茨大學和其他歐洲合作夥伴共同開展，旨在推進基於量子點的量子記憶技術。他們目前的研究得到了英國工程和物理科學研究委員會（EPSRC）、歐盟、美國海軍研究辦公室和英國皇家學會的支援。

參考文獻：Martin Hayhurst Appel、Alexander Ghorbal、Noah Shofer、Leon Zaporski、Santanu Manna、Saimon Filipe Covre da Silva、Urs Haeusler、Claire Le Gall、Armando Rastelli、Dorian A. Gangloff和Mete Atatüre所著的《自旋量子位元的多體量子暫存器》，2025年1月24日，《自然物理學》。DOI: 10.1038/s41567 - 024 - 02746 - z