能够快速跟踪控制的量子比特加速转换技术

笔记本电脑到手机，当今这些依靠电路直接利用电流进行供能的技术正以前所未有的速度进行发展改进。同样，对于控制原子和纳米系统中的量子态的技术进步，可能会为量子技术这种新的技术领域带来飞跃。

　　一项来自芝加哥大学、阿贡国家实验室、麦克吉尔大学和康士坦茨大学物理学家之间的国际合作研究，最近展示了一种新型的更快的控制量子比特的框架。该研究的相关论文已经发表在《自然物理》杂志上，他们实现了在钻石芯片上对单个电子的实验，可以创造出在高速运转时不易出错的量子器件。

　　加速的量子动力学

　　为了了解他们的实验，你可以在经典动力学中观察对速度的定义：如在印第安纳波利斯的椭圆形赛马场或者代托纳500跑道中。为了使赛车在以惊人的速度下进行转弯，跑道的转弯处的路面的坡度高达30度。牛顿力学专业的一个学生就可以解释道，路面的这种向内坡度可允许道路提供正常力帮助抵消汽车的离心加速度，要不然车子会倾向于从转弯处向外滑动.。速度越大，所需的坡度角度越大。

　　“量子粒子的动力学行为是很类似的，”Aashish Clerk说，他是麦克吉尔大学的理论物理学教授。“虽然运动方程是不同的，要准确地改变在高速的量子粒子的状态，你需要设计正确的轨道，以提供正确的力量。

　　Clerk同麦吉尔博士后研究员Alexandre Baksic和Hugo Ribeiro合作提出了一个新的技术来实现更快的量子动力学动态变化，这种技术通过巧妙地吸收量子粒子受到的有害加速度。这些加速度，除非加入补偿，否则会使粒子的量子态偏离空间预定轨道，类似于离心加速度会使赛车偏离其预定的赛车线的赛道。

　　通过与自己研究小组的成员以及Clerk小组、David Awschalom的交流，芝加哥大学分子工程学院的自旋电子学和量子信息学教授们发现，新的理论可以用来加快他的实验室中基于钻石的量子器件的研究。然而，正如在土木工程建设中高速公路上所提出了挑战那样，实验中所执行的控制序列的设想，研究人员在量子工程中同样遇到相似的问题。

　　建设快速轨道所需的发光量子的形态是复杂的、同步的激光脉冲对被困在他们的钻石芯片上的原子缺陷进行泵浦。本实验相关研究的第一作者是Brian Zhou，并且与Christopher Yale，F. Joseph Heremans，Paul Jerger共同合作研究。

　　“我们发现，这些新的协议可以翻转一个量子比特的状态，从'关'到'开'，且比传统方法快300%，”Awschalom说，同时他也是在阿贡国家实验室的资深科学家。“在操作中每纳秒进行调节对于减少量子的退相干的影响是至关重要的，”他说，指的是量子信息丢失在环境中这一过程。

　　来自康士坦茨大学的Guido Burkard教授和Adrian Auer0教授加入了Awschalom的研究小组，进行实验的检验数据的部分工作。在基于钻石的量子系统中，该领域领先的专家Burkard说：“对于这些在实验室中的技术能够转换出来相关成果的希望是，即使当系统不是完全孤立情况下，仍是有效的。”

　　研究人员希望他们的方法可以进一步应用在原子或不同系统之间，能够实现原子级的物理运动和量子态传递的快速、精确控制，并有益于量子学的相关应用，如安全通信和复杂系统仿真等。

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