光學(xué)活性半導(dǎo)體量子點(diǎn)是迄今為止已知的最有效的自旋光子界面，盡管進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，但科學(xué)家仍很難將其存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)到幾微秒以上。在最新研究中，英國(guó)劍橋大學(xué)、林茨大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)研究人員證明，有一種簡(jiǎn)單的材料可解決這個(gè)問(wèn)題，將量子信息的存儲(chǔ)提高到一百微秒以上。研究成果發(fā)表在近日的《自然·納米技術(shù)》期刊上。

量子點(diǎn)是由數(shù)千個(gè)原子組成的晶體結(jié)構(gòu)。這些原子的每一個(gè)原子核都有一個(gè)與量子點(diǎn)電子耦合的磁偶極矩，并可能導(dǎo)致存儲(chǔ)在電子量子比特中的量子信息丟失。新研究發(fā)現(xiàn)，在用具有相同晶格參數(shù)的半導(dǎo)體材料構(gòu)建的器件中，原子核“感受到”相同的環(huán)境并表現(xiàn)一致。結(jié)果是可濾除這種核噪聲并在存儲(chǔ)時(shí)間上實(shí)現(xiàn)近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。

研究人員稱(chēng)，這是一種全新的光學(xué)活性量子點(diǎn)機(jī)制，可在其中關(guān)閉與原子核的相互作用，并一遍又一遍地重新聚焦電子自旋以保持其量子態(tài)活躍。對(duì)于量子點(diǎn)中的自旋，較短的相干時(shí)間是應(yīng)用的最大障礙，這一發(fā)現(xiàn)為此提供了一個(gè)清晰而簡(jiǎn)單的解決方案。

在首次探索百微秒時(shí)間尺度時(shí)，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)電子只能看到來(lái)自原子核的噪聲，而不是器件中的電噪聲。

另一件讓研究人員感到驚訝的事情是從原子核中接收到的“聲音”。它并不像最初預(yù)期的那么和諧，而且通過(guò)進(jìn)一步的材料改進(jìn)，系統(tǒng)的量子相干性還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

研究人員表示，這項(xiàng)研究最令人興奮的事情之一是馴服一個(gè)復(fù)雜的量子系統(tǒng)：十萬(wàn)個(gè)原子核與一個(gè)控制良好的電子自旋強(qiáng)烈耦合。大多數(shù)研究人員通過(guò)消除所有相互作用來(lái)解決將量子位從噪聲中分離出來(lái)的問(wèn)題。他們的量子位變得有點(diǎn)像被鎮(zhèn)靜了的薛定諤的貓，無(wú)論任何人拉動(dòng)它的尾巴，它都無(wú)法作出反應(yīng)。而新研究中的“貓”像是服用了強(qiáng)效興奮劑。

量子點(diǎn)現(xiàn)在結(jié)合了高光子量子效率和長(zhǎng)自旋相干時(shí)間。在不久的將來(lái)，研究人員設(shè)想這些器件能夠?yàn)槿庾恿孔佑?jì)算創(chuàng)建糾纏光態(tài)，并允許對(duì)核自旋系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)量子控制實(shí)驗(yàn)。

審核編輯：劉清