從筆記本電腦到手機，今天的技術在電荷通過電路引導的速度不斷提高。通過加速對原子和納米級系統中量子態的控制，可以在新興的量子技術領域中實現類似的進步。

芝加哥大學物理學家，能源部(DOE)阿貢實驗室，麥吉爾大學和康斯坦茨大學的物理學家之間的國際合作最近展示了一種新的框架，可以更快地控制量子比特 - 這是信息的基本單位。將于11月28日在線發表在“ 自然 - 物理學”雜志上的研究成果。他們對金剛石芯片中單個電子的實驗可以使量子器件在高速運行時不易出錯。

為了理解這個實驗，我們可以看看經典動力學的最終速度設置：印第安納波利斯500或Daytona 500的橢圓形賽道。為了讓賽車以驚人的速度駕駛轉彎，賽道的路面被“堆積”起來到30度。路面的向內傾斜允許道路提供的法向力幫助抵消汽車的離心加速度，或者從轉彎處向外滑動的趨勢。賽車的速度越大，所需的傾斜角度越大。

“量子粒子的動力學行為類似，”麥吉爾大學理論物理學教授Aashish Clerk說。“雖然運動方程式不同，但為了高速準確地改變量子粒子的狀態，你需要設計正確的軌道來傳遞正確的力量。”

Clerk與McGill博士后研究員Alexandre Baksic和Hugo Ribeiro一起，制定了一項新技術，通過巧妙地吸收量子粒子感受到的有害加速度，實現更快的量子動力學。除非經過補償，否則這些加速度會使粒子從其在量子態空間中的預期軌跡轉移，類似于離心加速度如何使賽車偏離軌道上的預定賽車線。

芝加哥大學分子工程研究所的自旋電子學和量子信息教授David Awschalom意識到，在與他自己的團隊和Clerk集團成員討論之后，新理論可以用來加速他實驗室中基于鉆石的量子器件。然而，正如建造高速公路在土木工程中提出了挑戰一樣，執行Clerk和同事設想的控制序列也提出了量子工程中的實驗挑戰。

構建量子快速軌道需要在其金剛石芯片內部缺陷處捕獲的單個電子上發出錯綜復雜形狀的同步激光脈沖。這個實驗性的成就是由Awschalom集團的成員Brian Zhou和團隊成員Christopher Yale，F。Joseph Heremans和Paul Jerger共同完成的。

“我們證明了這些新協議可以將量子位的狀態從”關閉“轉換為”打開“，比傳統方法快300%，”Agonchalom說，他也是Argonne的資深科學家。“從操作時間開始每隔納秒剃須對于減少量子退相干的影響至關重要，”他解釋說，指的是量子信息丟失到環境中的過程。

康斯坦茨大學教授Guido Burkard和博士后Adrian Auer加入了Awschalom和Clerk小組的成員，以檢查實驗數據。“將這些技術轉化為超出實驗室的前景是，即使系統沒有完全隔離，它們也是有效的，”鉆石量子系統領先專家Burkard說。

研究人員預計，他們的方法可以進一步應用于快速準確地控制原子的物理運動或不同系統之間量子態的轉移，并為量子應用帶來好處，例如安全通信和復雜系統的仿真。