在量子技術的加持下，更高效的計算機、通信和傳感設備，有望給現代科技帶來翻天覆地的變化。不過在向目標衝鋒的過程中，仍需克服一系列的挑戰，尤其是量子系統中有效信息的傳輸方面。好消息是，在發表於《自然通訊》期刊上的多篇論文中，羅徹斯特大學研究人員詳細介紹了他們在改善量子系統信息傳輸方面取得的重大進展。

量子計算芯片與電路板資料圖（來自：羅徹斯特大學/ J. Adam Fenster 攝）

與基於“0”和“1”兩種比特位的傳統晶體管相比，量子計算機上的“量子比特”還可同時為“0”和“1”（疊加態），從而蘊含了巨大的計算潛力。

然而與普通計算機一樣，量子計算機也需要搞定可靠的遠距離量子信息傳輸，只是後者的難度遠超想像。

研究配圖1 – 1：半導體量子點自旋鏈中的AQT 實驗裝置

在論文中，該校物理天文學助理教授John Nichol、研究一作Yadav Kandel、以及研究生Haifeng Qiao，詳細介紹瞭如何通過改善量子系統中電子間信息傳遞的方法，來為量子計算提供助力。

首先（via Nature Communications）：研究團隊首次利用電子自旋量子比特，展示了一種在量子比特間傳輸信息的新方式，也就是所謂的“絕熱量子態轉移”（AQT）。

與諸多依賴於精心調校的電場或磁脈衝而在量子比特間傳遞信息的方法不同，AQT 並不會受到脈衝誤差和噪聲的影響。

研究配圖1 – 2：與時間相關的三自旋海森堡哈密頓量的本徵態

至於AQT 的工作原理，可想像你正在駕駛一輛汽車，並且打算靠邊停車。但若你沒有在何時的時機踩下剎車，那汽車可能就無法停在預想的位置、並可能產生負面後果。

換言之，你必須精細調節脈衝頻率（踩下油門/ 剎車踏板）。但AQT 的不同之處，在於它無視踏板踩下的力度或時長，就總能停靠在正確的位置。

研究配圖1 – 3：三自旋AQT

基於此，AQT 有望改善量子比特之間的信息傳輸，從而對量子網絡的糾錯產生至關重要的影響，且研究人員領用糾纏證明了AQT 的有效性。

作為量子物理學的基本概念之一，無論距離相隔有多遠，只要其中一個粒子的特性發生了變化、就會同步影響到另一個粒子的特性。

研究配圖1 – 4：AQT 鏈

AQT 實驗期間，研究人員已將一個電子的量子自旋態、轉移到了半導體量子點中的四個電子鏈（具有非凡特性的微小納米級半導體）。

需要指出的是，這也是迄今為止最長的自旋狀態轉移鏈，追平了早期研究者在《自然》論文中創下的紀錄。

研究配圖1 – 5：最大耦合強度/ 插值時間之間的影響

John Nichol 補充道：“得益於AQT 對脈衝誤差和噪聲具有強大的抵抗力，且其在量子計算應用中存在巨大的潛力，本次演示也是利用自旋量子比特開展量子計算的一個重要里程碑” 。

研究配圖2-1：增強自旋交換的另一套實驗裝置

其次（via Nature Communications），研究人員介紹了在量子位之間傳輸信息的另一項技術——一種被稱作時間晶體晶體（Time Crystals）的奇異物質狀態。

研究配圖2-2：Floquet 增強的π 旋轉

所謂時間晶體，特指構成晶體的粒子之間的相互作用，可無限期地穩定係統振盪。你可將之想像成一個永遠滴答作響的時鐘，其鐘擺隨著時間擺動。

研究配圖2-3：省略π 脈衝而無Floquet 增強

通過在電子上施加一系列電場脈衝，研究人員得以營造出一種類似於時間晶體的狀態。然後發現，他們還可利用這種狀態，來改善半導體量子點鏈中電子自旋態的轉移。

研究配圖2-4：Floquet 增強的自旋交換

John Nichol 表示，這項工作算是邁出了展示奇異物質狀態的第一步，後續將深入探索如何將時間晶體用於潛在的量子信息處理用例，比如在量子位之間傳輸信息。

研究配圖2-5：保留和生成糾纏態

此外他們在理論上證明了這種場景是如何實現其它量子比特和多量子位操作的，在提升量子計算機性能的同時，還有希望面對構建可行的量子計算機與網絡的主要挑戰（之一） 。