研究人員發現了一種利用激光控制核子自旋特性的方法，它可以存儲量子信息。基於量子的設備，包括計算機和傳感器有可能通過極大地超越傳統數字技術來徹底改變我們執行複雜任務的方式。然而，儘管科技公司、學術機構和政府實驗室進行了大量投資，但開發實用的基於量子的設備仍然是一個重大挑戰。

今天最大的量子計算機只配備了幾百個”量子比特”，即數字比特的量子等價物。

圖中說明了兩束波長稍有不同的激光束可以影響原子核周圍的電場，以一種推動該電場的方式，將原子核的自旋推向一個特定的方向，如箭頭所示。

現在，麻省理工學院的研究人員提出了一種新的方法來製造量子比特並控制它們讀寫數據。這種方法在現階段是理論性的，它基於測量和控制原子核的自旋，使用來自兩個顏色略有不同的激光器的光束。麻省理工學院博士生Haowei Xu、教授Ju Li和Paola Cappellaro以及其他四人在《物理評論X》雜誌上發表的一篇論文中描述了這些發現。

長期以來，核自旋被認為是基於量子的信息處理和通信系統的潛在構件，而光子也是如此，它是電磁輻射的不連續包，或”量子”的基本粒子。但是哄騙這兩個量子物體一起工作是很困難的，因為原子核和光子幾乎沒有互動，而且它們的自然頻率相差六到九個數量級。

在麻省理工學院團隊開發的新工藝中，進入的激光束的頻率差異與核自旋的過渡頻率相匹配，促使核自旋以某種方式翻轉。

核科學與工程系教授卡佩拉羅說：”我們已經找到了一種新的、強大的方法，將核自旋與來自激光的光子對接起來。這種新的耦合機制使它們的控制和測量成為可能，這使得使用核自旋作為量子比特成為更有前途的努力。”

研究人員說，這個過程是完全可調整的。例如，其中一個激光器可以被調諧到與現有電信系統的頻率相匹配，從而將核自旋變成量子中繼器，實現長距離的量子通信。

以前嘗試用光來影響核自旋是間接的，而是耦合到該核周圍的電子自旋，這反過來又會通過磁相互作用影響核。但這需要附近存在未配對的電子自旋，並導致核自旋的額外噪音。對於新方法，研究人員利用了許多核具有電四極的事實，這導致了與環境的電核四極互動。這種相互作用可以受到光的影響，以改變核本身的狀態。

“核自旋通常是相當弱的相互作用，”李說。”但是通過利用一些核具有電四極的事實，我們可以誘發這種二階的非線性光學效應，直接耦合到核自旋，而沒有任何中間的電子自旋。這使我們能夠直接操縱核自旋”。

除其他事項外，這可以允許精確識別甚至繪製材料的同位素，而拉曼光譜，一種基於類似物理學的成熟方法，可以識別材料的化學和結構，但不能識別同位素。研究人員說，這種能力可能有許多應用。

至於量子存儲器，目前正在使用或考慮用於量子計算的典型設備的相干時間–意味著存儲的信息可以可靠地保持完整的時間–往往是以一秒鐘的小數點來衡量。但在核自旋系統中，量子相干時間是以小時來衡量的。

該團隊說，由於光學光子被用於通過光纖網絡進行長距離通信，因此將這些光子直接耦合到量子存儲器或傳感設備的能力可以為新的通信系統提供巨大的好處。此外，這種效應可以被用來提供一種將一組波長轉換為另一組波長的有效方法。徐說：”我們正在考慮使用核自旋進行微波光子和光學光子的轉換，”他補充說，這可以為這種轉換提供比其他方法更大的保真度。

到目前為止，這項工作是理論上的，所以下一步是在實際的實驗室設備中實現這一概念，可能首先是在一個光譜系統中。徐說：”這可能是原則性驗證實驗的一個很好的候選者。他說，在此之後，他們將解決量子設備，如存儲器或轉導效應。”