物理学家利用13000个纠缠的自旋来释放“暗态”的力量

科学家们利用多体物理将量子点转变为可扩展的、稳定的量子节点。

通过将核自旋纠缠到“暗态”，他们创造了一种量子寄存器，能够高保真地存储和检索量子信息。这一飞跃使量子网络更接近现实，为通信和计算开启了新的可能性。

量子网络的新突破

发表在《自然物理学》上的这项研究引入了一种新型的光连接量子比特 —— 这是开发需要稳定、可扩展和可适应量子节点的量子网络的重要一步。

量子点是由量子力学推导出的具有独特光学和电子特性的纳米级结构。它们已经用于显示屏和医学成像等技术，由于能够发射单光子，它们在量子通信中引起了人们的注意。

“这一突破证明了多体物理学在改造量子器件方面所具有的力量。”

• Mete Atatüre

然而，构建有效的量子网络需要的不仅仅是光子发射。他们还需要稳定的量子比特，可以与光子相互作用，并在本地存储量子信息。这项研究利用量子点内的原子自旋，将它们用作能够长时间存储信息的多体量子寄存器。

利用多体物理进行量子存储

多体系统指的是相互作用的粒子的集合 —— 这里指的是量子点内部的核自旋 —— 它们的集体行为产生了新的、涌现的特性，而这些特性在单个组件中是不存在的。通过使用这些集体状态，研究人员创造了一个强大且可扩展的量子寄存器。

剑桥大学的研究小组与林茨大学的同事密切合作，成功地将13000个核自旋转化为一种被称为“暗态”的集体纠缠态。这种暗态减少了与环境的相互作用，导致更好的相干性和稳定性，并作为量子寄存器的逻辑“零”状态。

他们引入了一个互补的“一”状态，作为一个单一的核磁振子激发 —— 一种代表相干波状激发的现象，涉及一个核自旋翻转在核系综中传播。总之，这些状态使量子信息能够以高保真度被写入、存储、检索和读出。

研究人员用一个完整的操作周期证明了这一点，实现了近69%的存储保真度和超过130微秒的相干时间。这是量子点作为可扩展量子节点向前迈出的重要一步。

释放量子点的潜力

“这一突破证明了多体物理学在转变量子器件方面的力量，”该研究的共同主要作者、卡文迪什实验室的物理学教授Mete Atatüre说。“通过克服长期存在的局限性，我们展示了量子点如何作为多量子比特节点，为量子网络在通信和分布式计算中的应用铺平了道路。在2025年国际量子年，这项工作还突显了卡文迪什实验室在实现量子技术前景方面取得的创新进展。”

这项工作代表了半导体物理学、量子光学和量子信息理论的独特结合。研究人员利用先进的控制技术在砷化镓（GaAs）量子点中极化核自旋，为稳健的量子操作创造了低噪声环境。

克服长期存在的挑战

“通过应用量子反馈技术和利用GaAs量子点的显著均匀性，我们已经克服了由不受控制的核磁相互作用引起的长期挑战，”该项目的共同主要作者、量子技术副教授Dorian Gangloff解释说。“这一突破不仅将量子点确立为可操作的量子节点，而且为探索新的多体物理和新兴量子现象打开了一个强大的平台。”

量子记忆和网络的未来

展望未来，剑桥团队的目标是通过改进他们的控制技术，将他们的量子寄存器存储信息的时间延长到几十毫秒。这些改进将使量子点适合作为量子中继器中的中间量子存储器，量子中继器是连接远程量子计算机的关键组件。

这一雄心勃勃的目标是他们与林茨和其他欧洲合作伙伴合作的新QuantERA基金MEEDGARD的重点，旨在利用量子点推进量子存储技术。他们目前的研究得到了EPSRC、欧盟、美国海军研究办公室和英国皇家学会的支持。

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