摘要：该研究发表在《自然物理学》杂志上，展示了一种新型光连接量子比特的引入——这是量子网络发展的关键进步，稳定、可扩展且多功能的量子节点对于量子网络至关重要。

在量子技术的进步中，剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员利用半导体量子点内的原子创建了一个功能性量子寄存器。

该研究发表在《自然物理学》杂志上，展示了一种新型光连接量子比特的引入——这是量子网络发展的关键进步，稳定、可扩展且多功能的量子节点对于量子网络至关重要。

量子点是纳米级物体，具有由量子力学效应产生的独特光学和电子特性。这些系统已用于显示屏和医学成像等技术，它们在量子通信中的应用主要是因为它们能够作为明亮的单光子源运行。

然而，有效的量子网络需要的不仅仅是单光子发射；它们还需要稳定的量子比特，能够与光子相互作用并在本地存储量子信息。这项新研究以形成量子点的原子的固有自旋为基础，将其作为一个功能齐全的多体量子寄存器，用于长时间存储信息。

多体系统是指相互作用的粒子的集合（这里指的是量子点内的核自旋），其集体行为会产生单个组件所不具备的全新、新兴属性。通过利用这些集体状态，研究人员创建了一个强大且可扩展的量子寄存器。

剑桥大学的研究团队与林茨大学的同事密切合作，成功地将 13,000 个核自旋制成一种集体纠缠态，即所谓的“暗态”。这种暗态减少了与环境的相互作用，从而实现了更好的相干性和稳定性，并充当了量子寄存器的逻辑“零”状态。

他们引入了互补的“一”状态，即单核磁振子激发——这种现象代表了一种相干波状激发，涉及通过核集合传播的单核自旋翻转。这些状态共同使量子信息能够以高保真度写入、存储、检索和读出。

研究人员通过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。

“这一突破证明了多体物理学在转变量子设备方面所具有的力量，”这项研究的共同主要作者、卡文迪什实验室物理学教授梅特·阿塔图雷 (Mete Atatüre) 说。

“通过克服长期存在的限制，我们展示了量子点如何充当多量子比特节点，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，这项工作还凸显了卡文迪什实验室在实现量子技术承诺方面取得的创新进展。”

这项研究是半导体物理学、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来极化砷化镓(GaAs) 量子点中的核自旋，为稳健的量子操作创造了一个低噪声环境。

“通过应用量子反馈技术并利用 GaAs 量子点的卓越均匀性，我们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 解释道。

“这一突破不仅确立了量子点作为可操作的量子节点的地位，而且还为探索新的多体物理学和新兴量子现象开辟了一个强大的平台。”

展望未来，剑桥团队的目标是通过改进控制技术，将量子寄存器存储信息的时间延长至数十毫秒。这些改进将使量子点适合用作量子中继器中的中间量子存储器——连接远距离量子计算机的关键组件。

来源：老钱说科学