北京
量子信息总是“留不住”，这是让物理学家头疼的老问题。但哈佛大学工程与应用科学学院的一个团队，最近找到了一种有点出人意料的办法：用持续不断的声波，给脆弱的量子比特当“保镖”。
研究团队发现，这种全机械式的保护方式，能让量子比特保持信息的时间延长到原来的近三倍。相关论文发表在7月15日的《自然·物理》杂志上。
量子比特为什么“留不住”信息？
先说说量子比特的处境。量子计算机的基本单元叫量子比特，它跟普通电脑的比特不一样——普通比特只有0和1两种状态，量子比特可以同时处于多种状态的叠加中。这种特性让量子计算有潜力解决一些传统计算机算不动的问题。
但量子比特有个致命弱点：它太敏感了。周围环境的微小扰动，比如温度波动、电磁干扰，都会让量子比特的状态“跑偏”，信息也就随之丢失。物理学家管这叫“退相干”，意思是量子比特失去了它原有的量子特性。
打个比方，量子比特就像在嘈杂的集市里记一个电话号码，周围人声鼎沸，稍不留神就记岔了。而量子计算要真正实用，就得让量子比特在足够长的时间里“记住”信息。
声波能当“保镖”的原理
哈佛团队研究的是量子网络中的一种特定设计。在这种网络里，量子比特是钻石中一种叫“硅空位”的缺陷——简单说，就是钻石晶格中一个碳原子被硅原子替代、旁边还空了一个位置的结构。这个缺陷的电子自旋可以作为量子存储器，而传递信息的载体则是声波粒子，物理学家叫“声子”。
为什么选声子而不是光？研究者在论文中给出了两个理由。第一，在相同频率下，声子的波长比光短得多，这意味着设备可以做得更小、集成度更高。第二，声子既能跟固态自旋耦合，又能跟电磁场耦合，这让它在混合量子系统中很有用——所谓混合系统，就是同时用多种不同类型的量子比特协同工作。
但用声子有个难题：怎么保护量子比特的记忆。传统做法是用微波脉冲把量子比特跟环境“解耦”，就像给电话加一层隔音罩。可问题是，这种方法在声子腔里的量子比特上效果不好。
哈佛团队的突破在于，他们不用微波脉冲，而是改用一种连续的机械驱动场——也就是持续不断的声波——把量子比特变成一种叫“dressed”（“着装”）的状态。这种状态对环境的低频噪声不那么敏感，相当于给量子比特穿上了一件“隔音服”。
一个方案解决两个问题
这项研究最巧妙的地方在于，它把“传输信息”和“保护信息”两件事合在了一起。在量子网络中，声子本来就要承担传输信息的任务，现在它还能顺便保护量子比特的记忆。
“我们要解决两个问题：我们希望自旋跟声子有强相互作用，同时希望自旋有长的相干时间。”哈佛研究员伊丽莎·康奈尔说，“我们的论文展示了一种延长相干时间的方法，而且这种方法跟硅空位中心位于腔体内的结构是兼容的。”
换句话说，这个方案不是另起炉灶，而是设计成能在未来量子网络中实际使用的结构里工作。研究者指出，因为自旋的相干性是由连续的机械场保护的，而这个场跟声子腔兼容，所以这套方法可以直接用在连接量子网络静态节点的结构中。
声子的一石二鸟
在这种量子网络里，声子要干两份活：一是传递量子信息，二是保护量子信息。研究者认为，这项突破为基于声波的芯片级量子网络铺平了道路，也为结合多种量子比特的混合量子系统提供了新的可能性。
论文发表在《自然·物理》上，作者包括康奈尔及其同事。研究展示的是对钻石中硅空位自旋的“全机械相干性保护”——这个术语听起来复杂，核心意思就是：用纯机械的方式（声波）来保护量子比特的相干性，而不是依赖传统的电磁手段。
这件事为什么值得关注？
量子网络是未来量子互联网的基础设施。想象一下，如果量子计算机之间能通过量子网络连接起来，计算能力可能会大幅提升。但目前量子网络还处于早期研究阶段，很多技术瓶颈没有解决，量子比特的相干时间短就是其中之一。
这项研究的价值在于，它提供了一种跟现有声子方案兼容的保护方法。也就是说，它不是实验室里“只能看看”的原理验证，而是设计成能直接用在未来量子网络结构里的方案。
当然，这还只是研究层面的进展。从实验室到实用化的量子网络，中间还有很长的路要走。但至少，物理学家们又多了一个工具箱里的工具——而且这个工具用的是声波，一种我们日常生活中再熟悉不过的东西。
有意思的是，声波在宏观世界里能传递声音，在量子世界里却能保护信息。物理学的奇妙之处，往往就在于这种跨越尺度的统一性。
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