多年来，研究人员一直尝试各种方法来引导量子位（或称为“量子比特”），即量子计算机的基本构件，使其保持在其量子状态中的时间越来越长，这是创建类似量子传感器、陀螺仪和存储设备的关键步骤。

麻省理工学院的一组物理学家在这个探索中取得了重要进展，而为此，他们借鉴了一个看起来不太可能的概念——降噪耳机。

由麻省理工学院核工程学杰出教授、材料科学与工程学教授Ju Li和核科学与工程学系、电子研究实验室福特教授及物理学教授Paola Cappellaro领导，该团队描述了一种方法，可以使核自旋量子位的相干时间增加20倍。这项工作已在《Physical Review Letters》上发表。该研究的第一作者是Guoqing Wang博士，他是Cappellaro实验室的前博士研究生，现在是麻省理工学院的博士后研究员。

"“这是量子信息领域的一个主要问题之一，”李教授说。“核自旋（集合）是非常有吸引力的量子传感器、陀螺仪和量子存储平台，但它们的相干时间大约只有150微秒，而存在电子自旋的情况下，信息就会消失。我们展示的是，如果我们能够理解这些系统中的相互作用或噪声，我们就能做得更好。”

通过“不对称回声”延长相干时间

正如降噪耳机使用特定的声波频率来过滤周围噪音一样，研究团队开发了一种称为“不对称回声”的方法来延长系统的相干时间。

通过表征特定噪音源（在这种情况下是热量）对系统中的核四极相互作用的影响，研究团队能够利用同样的噪音源抵消核-电子相互作用，将相干时间从150微秒延长至长达3毫秒。

然而，这些改进可能只是一个开始。研究论文的第一作者王同学表示，他们在探索其他可能的噪音源时可能会有更多的突破。

“理论上，我们甚至可以将其提高到数百甚至数千倍。但实际上，这个系统可能存在其他噪音源，我们已经证明，如果我们能够描述它们，我们就能对其进行抵消。”

这篇论文对于未来量子设备的研究将会产生“显著影响”，位于Mainz赫尔姆霍兹研究所物质与反物质部门的Dmitry Budker教授说道。Dmitry Budker教授同时也是约翰内斯·古腾堡大学和加州大学伯克利分校的教授，但并没有参与该项研究。

他说：“（这个团队）是量子传感领域的世界领导者。他们不断发明新方法来推动该领域的发展。在这项研究中，他们展示了一种实际的方法，通过一种巧妙的自旋回声技术将核相干时间扩展了一个数量级，这在应用方面应该相对简单实施。”

康奈尔大学应用物理和工程学教授Gregory Fuchs称这项工作为“创新且有影响力”。

“这项工作很重要，因为虽然核自旋理论上可以比NV中心内部的电子自旋有更长的相干寿命，但是长期以来很难观察到在钻石NV中心实验中具有长寿命的核自旋集合体，”他说道。“卡佩拉罗教授和她的学生们所展示的是一种相当意外的策略。这种方法对于利用核自旋集合体的应用，如旋转传感（陀螺仪），具有极大的影响力。”

利用“100亿个时钟”构建传感器

论文中描述的实验和计算涉及到一个巨大的集合——约100亿个——位于钻石中的原子尺度杂质，称为氮空位中心，或NV中心，其中每个中心总体上处于一种特定的氮-14核的量子自旋状态，以及一个附近的局部电子。

虽然它们长期以来被认为是量子传感器、陀螺仪、存储器等的理想候选者，但王同学解释说，挑战在于找到一种让大规模的NV中心集合体协同工作的方法。

王同学说：“如果你把每个自旋想象成一个时钟，这100亿个时钟稍有不同……而且你不能单独测量它们。”“我们看到的是，当你准备所有这些时钟时，它们在初始时是彼此同步的，但经过一段时间，它们完全失去了相位。我们称之为它们的退相时间。”

他继续说道：“我们的目标是使用数十亿个时钟，但实现与单个时钟相同的退相时间。这使你能够从测量多个时钟中获得增益，但同时保持相位的相干性，从而不会迅速失去量子信息。”

这项研究依据今年三月由李教授、卡佩拉罗教授、王同学和麻省理工学院其他研究生组成的研究团队首次提出的温度异质性引起的相干化退相理论，该论文发表在《物理化学快报》上，描述了一种计算温度和应变如何影响不同类型相互作用的理论方法，从而导致相干性的丧失。

第一种相互作用被称为核四极相互作用，因为氮核充当不完美的核偶极子——本质上是一个亚原子磁体。由于核不是完全球形的，王同学解释说，它会变形，扰乱偶极子，从而有效地与自身相互作用。类似地，超精细相互作用是核磁偶极与附近电子磁偶极相互作用的结果。这两种相互作用都可在空间和时间上变化，当考虑到核自旋量子位的集合体时，由于“不