相关噪声的破坏性干涉，使量子相干时间延长10倍

量子信息科学是一个快速发展的领域，具有彻底改变计算、通信和传感技术的潜力。然而，该领域的一个重大挑战是保护量子信息免受退相干和噪声的影响。退相干是指量子相干性的丧失，这对于维持量子计算和通信所需的量子态至关重要。传统的保护量子信息的方法通常依赖于噪声的时间自相关性，但当存在其他类型的相关性时，这些方法可能并不理想。最近，发表在《物理评论快报》上的一项研究，利用相关噪声的破坏性干涉来保护量子信息。

理解量子噪声和退相干

量子系统对其环境非常敏感，与外部噪声的相互作用会导致退相干。量子系统中的噪声大致可以分为两类：不相关（或白）噪声和相关噪声。不相关噪声独立地影响系统的每个部分，而相关噪声则涉及系统不同部分之间的依赖性。相关噪声可能来自各种来源，如环境波动或量子系统不同组件之间的相互作用。

退相干是一个过程，其中量子系统由于与环境的相互作用而失去其相干叠加态。这种相干性的丧失对量子信息处理是有害的，因为它会导致量子计算中的错误和量子通信中的信息丢失。

传统的噪声保护策略

传统上，保护量子信息免受噪声影响的传统策略包括量子纠错、动态解耦和退相干自由子空间。量子纠错涉及以一种允许检测和纠正噪声引起的错误的方式编码量子信息。动态解耦使用控制脉冲序列来平均噪声的影响。退相干自由子空间利用噪声中的对称性来隔离对某些类型噪声免疫的量子系统部分。

虽然这些方法在某种程度上取得了成功，但它们通常依赖于关于噪声性质的假设，如其时间自相关性。当噪声表现出更复杂的相关性时，这些传统方法可能不足以有效地保护量子信息。

相关噪声的破坏性干涉

最新的保护量子信息的方法是利用相关噪声的破坏性干涉。这种方法利用两个噪声源之间的互相关性来显著延长量子系统的相干时间。通过精心设计噪声源及其相互作用，可以创造出噪声来自不同源的破坏性干涉条件，从而有效地抵消对量子系统的不利影响。

破坏性干涉的概念在经典物理学中是众所周知的，它被用于在各种应用中消除不需要的信号。在量子信息的背景下，这种方法可以应用于相关噪声以获得类似的好处。通过使用两个或多个相关噪声源，研究人员可以设计出减少量子系统整体噪声影响的干涉模式。

实验演示和结果

最近的实验工作证明了这种方法的可行性。研究人员使用钻石中的氮空位 (NV) 中心实施了他们的技术，氮空位中心是量子技术的很有前途的平台。NV 中心的电子自旋充当量子比特。通过应用两个精心调整的激光脉冲，他们能够操纵影响自旋的噪声源之间的互相关。这种操纵导致破坏性干涉，有效地降低了量子比特所经历的总噪声。

实验结果表明，利用交叉相关噪声的破坏性干涉将量子系统的相干时间延长了十倍。这种相干时间的显著延长提高了高频量子传感应用的控制保真度和灵敏度。

影响和未来方向

通过相关噪声的破坏性干涉保护量子信息的能力对量子技术的未来具有重要意义。这种方法为提高量子系统的性能和可靠性提供了新工具，使其在实际应用中更具可行性。通过这种方法实现的相干时间延长和控制保真度的提高可以惠及量子信息科学的各个领域，包括量子计算、量子通信和量子传感。

未来的研究可能会集中于优化噪声源和干涉模式的设计，以实现更高水平的噪声保护。此外，探索这种技术在不同类型的量子系统和噪声环境中的应用可以帮助推广其益处。随着量子技术的不断进步，保护量子信息免受噪声影响将仍然是一个关键挑战，而像相关噪声的破坏性干涉这样的创新方法将在克服这一挑战中发挥重要作用。