研究人员已经开发出一种新的方法来更好地理解和减轻干扰量子比特运行的量子噪声。这一创新可以通过提供更详细的噪声分析和控制来提高量子计算和传感技术的可靠性。
科罗拉多大学物理学家和化学家之间的合作努力导致了傅里叶变换噪声光谱的发展。这种方法简化了分析量子噪声的过程，从而促进了量子计算和传感的进步。
“噪声”是量子技术和量子传感领域最大的挑战之一。这些看似随机的环境干扰可以破坏量子比特的微妙量子状态，量子比特是量子信息的基本单位。
为了更深入地研究这个问题，JILA副研究员和科罗拉多大学博尔德分校物理助理教授孙shuo最近与化学助理教授andr
Montoya-Castillo(也在科罗拉多大学博尔德分校)和他的团队合作，开发了一种更好地理解和控制这种噪声的新方法，可能为量子计算、传感和控制方面的重大进步铺平道路。他们的新方法使用了一种称为傅里叶变换的数学技术，最近发表在《npj量子信息》杂志上。
噪音的问题
虽然一些噪声源，如音乐，可以令人愉快，但其他噪声源，如交通声或熙熙攘攘的城市声，可能会分散注意力，甚至随着时间的推移导致健康问题。在微观层面上，噪音也会带来重大挑战。即使是室温或地板振动的最小波动，或者量子比特系统固有的不稳定性，也会破坏量子比特的相干性，导致它在一个被称为退相干的过程中失去量子态。
“许多人们非常兴奋的量子技术，比如量子计算机和量子传感器，都面临着一个实际的限制，那就是在更大的规模上实现更高的灵敏度，”科罗拉多大学博尔德物理学研究生和论文的第一作者之一，在蒙托亚-卡斯蒂洛小组工作的Nanako Shitara解释说。“这是因为这些量子系统或量子位对周围场的波动非常敏感，而且它们经常相互作用。”
量子比特环境中两种噪声光谱方法的比较。Sun集团的FTNS明显优于当前的DDNS方法。资料来源:Steven Burrows/Sun group
噪音不仅会影响像超精密量子传感器这样的脆弱系统的测量，还会使系统变得难以管理。
Shitara解释说:“问题变成了控制问题:你想控制量子比特对某些噪声的反应。基本上，你希望它对正确的信号做出很好的反应，同时忽略其他噪声源。”
了解这种噪音的来源，并找到减轻它们的方法，对于开发可靠的量子设备(如量子计算机或传感器)至关重要。
“了解量子比特的噪声环境不仅对降低噪声很重要，而且还可以作为有价值的材料探针，”孙解释说。在后一种情况下，量子比特充当传感器，提供对周围物质环境行为的洞察。”
交付噪声特性
为了研究和控制这种噪声，科学家们传统上使用了一种称为动态解耦噪声光谱(DDNS)的方法。这种方法需要对量子位施加精确的脉冲，并观察它们的反应。
Shitara补充说:“动态解耦最初是，现在仍然是，用于使量子比特的相干时间更长。”“事实证明，如果你将非常短的光脉冲应用于与环境相互作用的量子比特上，以某种周期性的方式……(它)通过某种有效的解耦，有助于量子比特的相干性存活更长时间。”
最近，动态解耦被重新用作噪声光谱方法(因此DDNS)来测量和表征量子位之间的噪声。虽然有效，DDNS是复杂的，需要应用大量的几乎瞬时激光脉冲。它还需要对潜在的噪声过程进行几个假设，这使得它很麻烦，而且不太实用，无法广泛使用。
Shitara解释说，由于物理限制，DDNS方法对噪声谱重建有最小和最大频率限制，这可能会导致科学家错过有趣的现象。“你可以看到，他们重建频谱的最低频率实际上可能相当高，这取决于实现，”她补充说。
考虑到DDNS的挑战，Shitara, Sun, Montoya-Castillo和CU Boulder博士后研究员Arian Vezvaee提出了一种新方法，该方法需要更少的激光脉冲，并利用了称为傅里叶变换的数学技术。
变换噪声图
傅里叶变换噪声光谱(FTNS)提供了一种简单而强大的方法，通过关注量子位的相干动力学来分析影响量子位的噪声。相干性测量量子位保持其量子态的程度，这对其在量子计算中的性能至关重要。这些测量通常是通过简单的实验来完成的，比如自由感应衰减(FID)或自旋回波(SE)，它们使量子比特处于特定的初始状态，并让其相干性随时间自由衰减，在衰减期间分别施加零或一个中间脉冲。
一旦收集到这些基于时间的测量数据，就会使用傅里叶变换对数据进行处理。这个过程就像把一幅数字画分解成它的基本颜色光谱，一个像素一个像素地分解，以理解它的颜色单位。单位通过这个过程从像素转换为颜色值。
在本文中，研究人员使用傅里叶变换将时域数据转换为频域数据，有效地将复信号分解为其组成频率。通过这样做，FTNS揭示了噪声频谱，显示了存在哪些噪声频率以及它们的强度。研究人员发现，FTNS方法还可以处理各种类型的噪声，包括DDNS等其他方法难以破译的复杂噪声模式。
虽然是一种更精简的方法，但FTNS有一些局限性，如最小和最大频率限制以及需要高分辨率时间和相干性测量。然而，研究人员证明，这些限制远远小于动态解耦噪声光谱的限制。
Sun和他在JILA的团队现在正在氮空位中心进行FTNS方法的实验测试，氮空位中心通常存在于用作量子位的合成钻石中。与此同时，俄亥俄州立大学化学副教授Joe Zadrozny和他的团队正致力于在分子量子比特和磁铁中实现FTNS。
Montoya-Castillo解释说:“我们对我们的方法能够揭示量子比特或传感器与其环境之间的频率分辨对话的能力感到非常兴奋，甚至对它提供的新机会更感兴趣。”“从传感的角度来看，我们正在努力建立FTNS如何在传感器附近显示难以看到的物理过程，无论这是晶体中的颜色中心，如金刚石中的氮空位，捕获离子或分子磁铁。这是一个令人兴奋的前沿领域，因为量子传感器可以以前所未有的细节和时间分辨率成像复杂的生物过程，如蛋白质折叠。”
参考文献:Arian Vezvaee, Nanako Shitara, Shuo Sun和andr
Montoya-Castillo的“傅立叶变换噪声光谱”，2024年5月17日，npj量子信息。DOI: 10.1038 / s41534 - 024 - 00841 - w
这项研究得到了美国国家科学基金会和斯隆研究奖学金的支持。
