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有读书笔记Decoherence in crystals of quantum molecular magnets

唐唐 添加于 2011-8-9 06:38 | 1799 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Takahashi S, Tupitsyn IS, van Tol J, Beedle CC, Hendrickson DN, Stamp PCE

  •  摘 要

    Quantum decoherence is a central concept in physics. Applications such as quantum information processing depend on understanding it; there are even fundamental theories proposed that go beyond quantum mechanics1, 2, 3, in which the breakdown of quantum theory would appear as an ‘intrinsic’ decoherence, mimicking the more familiar environmental decoherence processes4. Such applications cannot be optimized, and such theories cannot be tested, until we have a firm handle on ordinary environmental decoherence processes. Here we show that the theory for insulating electronic spin systems can make accurate and testable predictions for environmental decoherence in molecular-based quantum magnets5. Experiments on molecular magnets have successfully demonstrated quantum-coherent phenomena6, 7, 8 but the decoherence processes that ultimately limit such behaviour were not well constrained. For molecular magnets, theory predicts three principal contributions to environmental decoherence: from phonons, from nuclear spins and from intermolecular dipolar interactions. We use high magnetic fields on single crystals of Fe8 molecular magnets (in which the Fe ions are surrounded by organic ligands) to suppress dipolar and nuclear-spin decoherence. In these high-field experiments, we find that the decoherence time varies strongly as a function of temperature and magnetic field. The theoretical predictions are fully verified experimentally, and there are no other visible decoherence sources. In these high fields, we obtain a maximum decoherence quality-factor of 1.49 × 106; our investigation suggests that the environmental decoherence time can be extended up to about 500 microseconds, with a decoherence quality factor of ~6 × 107, by optimizing the temperature, magnetic field and nuclear isotopic concentrations.

  •  详细资料

    • 文献种类: Journal Article
    • 期刊名称: Nature
    • 期刊缩写: Nature
    • 期卷页: 2011年  第476卷 第7358期 76-79页
    • ISBN: 0028-0836

  • 学科领域 信息系统 » 计算机科学

  •  所属群组

    信息科学综合  

  • 相关链接 DOI URL 

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    研究获得抑制量子消相干现象新方法
    据美国物理学家组织网近日报道，美国南加州大学的研究人员日前通过强磁场成功抑制住了量子消相干（即量子相干性消失）现象，为量子计算机的发展扫除了一大障碍。相关论文发表在《自然》杂志网站上。
     
    传统计算机在运算中所采用的是传统比特，在特定的时间中传统比特所代表的是1或0；而量子 计算机所使用的量子比特却能够在同一时间内呈现出多种状态——既可以是1也可以是0，这种状态被称为量子叠加，是量子相干性的一种表现。量子计算机之所以 能够完成那些传统计算机所无法企及的复杂计算，在很大程度上都是源于其利用这种独特的量子效应。但量子比特并不是一个孤立的系统，很容易与外部环境发生相 互作用，引起量子位能量耗散或相对位相改变，并最终导致量子位由相干叠加态退化为混合态或单一态。这种现象就被称为量子消相干或退相干。
     
    虽然量子消相干只是一种噪声或者干扰，但它足以将量子计算机的独特功能破坏殆尽。因此，量子消相干也被看作是量子计算机的一大“Bug”（计算机漏洞）。为了克服消相干，科学家尝试过量子纠错码和量子避错码等方法，虽然适用性好，但效率上并不理想。
     
    量子比特系统中的量子消相干可分为两大类。一种是由量子系统内在固有的特征引起；一种由系统外部因素引起，例如，材料中的杂质或缺陷。
     
    新研究中，美国南加州大学副教授高桥进（音译）和他的同事针对单分子磁体进行研究，以期找 到抑制量子消相干现象的方法。之所以选择单分子磁体，是因为其纯度较高，能够消除外在原因引起的消相干，使研究人员能够对内部原因引起的消相干进行精确的 计算。同时，使用单分子磁体也能让研究人员通过多个量子粒子创建量子比特，而不是单一量子对象。这也是目前使用最为普遍的一种量子计算机的构建方式。与此 同时，这种方式还能够大幅增加量子比特的信号，从而使在单分子磁体中探测到这些信号更加容易。
     
    实验中，研究人员对不同环境（温度、磁场、辐射等）中的量子消相干现象进行测试，发现环境因素对量子消相干影响巨大。而利用强磁场能降低环境噪音水平，有效地抑制住量子消相干现象。
     
    英属哥伦比亚大物理和天文学教授菲尔·斯坦普说，这是一项值得欣喜的成果，它首次在一个复杂系统中预测并控制住了量子消相干现象。（来源：科技日报 王小龙）
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