DARPA設立項目擬大幅提高量子位相干狀態穩定度

來源：國防科技信息網，作者：工業和信息化部電子第一研究所 王巍

【[據DARPA網站2018年1月18日報道】無論燈泡中電子被激發發射光子，還是原子鐘內原子的振動頻率，都是自然界中的基本量子現象，而量子現象是目前最先進技術和未來技術的基礎。當感測器和器件性能持續提高接近其極限時，情況尤其如此。對量子現象的控制，正日益成為國防領域一個重要的挑戰性問題。在GPS拒止環境下，高精度的原子鐘可以使導航和通信計時保持與GPS一樣的性能。量子位可以表示1、0，或者是1和0的線性組合，基於量子位的計算，可以開啟新的計算方法。但是存在一個阻礙。量子感測器和器件的性能和可靠性，取決於量子狀態能夠保持相干態的時間長度。如果你等得夠久，環境的影響會使狀態行為變得像常規傳統系統一樣。在許多情況下，這個時間是非常短的。DARPA著眼於發展小尺寸實際可行的量子器件與量子感測器，已經開始驗證能夠顯著延長量子系統相干壽命的實驗計劃。

2018年1月18日，DARPA國防科學辦公室(DSO)宣布了一項新的基礎研究計劃，即「驅動及非平衡量子系統」(DRINQS)項目，以推動量子研究領域內最近的範式轉變。相關研究認為，周期性地使系統脫離平衡態可能會穩定其相干性。

DARPA項目經理Ale Lukaszew表示:「讓某種物體脫離平衡態提高穩定性的簡單例子是，讓一個倒立的掃帚在你的手掌上或者你的指尖上豎起來。如果你的手靜止，掃帚就會不穩定，很快就會掉下來。但是如果你近乎周期性的移動手的位置，使掃帚處於不平衡狀態，就能讓掃帚非常穩定，使它一直保持在直立狀態。」

量子相干態相對短暫，因為量子粒子對周圍環境極其敏感，很快就會變得不穩定，即使最輕微的熱變化或其他環境干擾，它們也會失去可預測和容易測量的量子特性。

Lukaszew表示：「處於量子態的原子和亞原子粒子並不總是能與其他粒子很好相處，目前需要沒有熱、電磁或其他干擾等使其失去相關性的特殊隔絕環境。」這就是世界上最好的原子鐘能夠精確計時的原因，它們需要特殊的實驗室環境來將單個原子與其他原子隔絕。這涉及到將原子冷卻到接近絕對零度，並利用激光創造出晶格結構，在這種結構中，冷卻的原子可以安靜休息，不受鄰居的干擾，就像盒子里的雞蛋一樣。」

Lukaszew表示：「如果我們能夠引入一個周期性的驅動,使粒子在室溫下被緊密封裝在小的空間內，同時仍然保持量子相干性，我們也許能夠在體積小巧、可以穩定工作的設備中再現性能最好的感測器，如原子鐘和磁力計，並用于軍事。」

這個新項目將建立一個由理論專家和實驗人員組成的協作團隊，以找到驅動量子系統的新方法。量子系統由大量粒子組成。這些團隊將開發穩定驅動系統中相干性的新實驗計劃，並展示至少10倍，可能達到100倍的原理驗證概念，從而超越量子相干的標準極限。

Lukaszew說:「測量引力場是超高精確度原子計時測量的一個令人興奮的潛在應用領域，這在隧道和洞穴探測中非常有用。在原則上，現有的原子鐘能夠精確地測量出距離幾英尺的引力場差異，但測量的過程可能需要數周時間。如果我們能設計出一個系統，它不會很快失去它的相干性，並且能夠很快重新調整，我們有可能在半小時內做出同樣的測量。

2018年2月1日，DARPA將召開在線「提案者日」會議，會議將從更多技術細節描述「驅動和非平衡量子系統」項目的目標。

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