通過打破其環境的對稱性，科學家們展示了一種延長量子比特保留信息的時間長度的新技術。科學家們已經證明，通過改變周圍晶體的結構使其不那麼對稱，他們可以延長分子量子比特的壽命。該量子位受到不對稱性的保護，使其保存信息的時間比安置在對稱結構中的時間長五倍。

科學家們已經證明，他們可以通過改變周圍晶體的結構使其不那麼對稱來延長分子量子比特的壽命。這種不對稱性可以保護量子比特不受噪音影響，使其保持信息的時間比放在對稱結構中要長五倍。資料來源：麻省理工學院/丹-勞倫扎

研究小組獲得了10微秒的相干時間（量子比特保持信息的時間），即百萬分之一秒，相比之下，分子量子比特在對稱晶體主機中的相干時間為2微秒。

這些發現發表在《物理評論X》雜誌上，由來自麻省理工學院、美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室、西北大學、芝加哥大學和格拉斯哥大學的一組科學家完成。由阿貢管理的美國能源部國家量子科學研究中心（Q-NEXT）幫助資助了這項研究。

背景

量子比特是量子信息的基本單位，是傳統計算比特的量子類似物。在噪聲或乾擾信號破壞信息之前，量子比特只能保持一段時間。延長信息保持穩定的時間長度，即所謂的相干時間，是量子信息科學的最大挑戰之一。

量子比特有不同的類型，其中一個是實驗室設計的分子。分子量子比特是模塊化的，這意味著它們可以很容易地從一個環境中移動並放置在另一個環境中。相比之下，其他類型的量子比特，如那些由半導體製成的量子比特，是高度固定在其環境中的。

為什麼這很重要

較長的相干時間使得量子比特在計算、長距離通信以及醫學、導航和天文學等領域的傳感等應用中更加有用。因為相干時間可以通過改變量子比特的外殼或將其置於相對於外殼更不對稱的位置來延長，所以不需要改變量子比特本身來實現更長的壽命。只需改變它的情況。

麻省理工學院FG Keyes化學教授、論文合著者丹娜·弗里德曼說：”分子化學使我們能夠更換承載量子比特的晶體材料，並修改量子比特本身。加入這種新的控制水平是非常有用的。”

這項研究的共同作者，格拉斯哥大學的薩姆·貝里斯說：”這種變化只是通過改變宿主分子上的單個原子來實現的，這是你能得到的最小的變化之一，它引起了相干時間的五倍增強，這是一個很好的證明，你可以通過分子獲得這種原子級的可調性。化學技術本質上提供了單原子水平的控制，這是很多現代技術中的一個夢想。”這種對稱性破壞技術的有效性意味著分子量子比特可以在各種各樣的環境中運行，甚至是那些不能減少噪音的環境。

弗里德曼說：”我們已經創造了一個新的手柄來修改分子系統中的相干性，”。”這種新發現的化學控制宿主環境的能力為分子量子比特的目標應用開闢了新的空間。”

“雖然與一些系統相比，10微秒可能聽起來不是非常長，但我們沒有做任何事情來減少噪聲源。在我們測量的環境中，噪聲是非常顯著的。因此，即使那裡有噪聲，量子比特基本上看不到它，而我們為什麼不直接刪除噪聲源呢？在實際情況下，並不總是能夠在一個超純的環境中工作。因此，擁有一個能在嘈雜環境中內在運行的量子比特可能是有利的。”

細節

該團隊的長壽命量子比特是由附著在碳基分子上的鉻基離子構成的。

對於一個分子量子軌道來說，噪音的主要來源是其周圍的磁場。磁場往往會擾亂量子比特的能級，而這些能級是對信息的編碼。晶體的不對稱性使量子比特免受潛在的破壞性磁場的影響，信息被保存得更久。

除了改善量子比特的特性外，該團隊還開發了一種數學工具，可以根據宿主晶體的結構準確預測任何分子量子比特的相干時間。

“這對我們來說是令人難以置信的，非常令人興奮的事情之一是這些系統可以在很短的時間內取得多大的進步，以及對宿主矩陣的一些修改可以獲得相當大的改進。”貝里斯說。

“這是一個重要的發展。能夠精確調整一個量子比特的環境是分子量子比特的一個獨特優勢。”Q-NEXT主任和論文共同作者David Awschalom說，他也是阿貢高級科學家、研究和基礎設施副院長、芝加哥大學普利茲克分子工程學院分子工程和物理學Liew家族教授，以及芝加哥量子交易所主任。”知道我們可以通過工程設計其環境來延長量子比特的壽命，為跨量子計算、傳感和通信的應用開闢了新的可能性。”