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芬蘭創(chuàng)下超導(dǎo)量子比特最長壽命新紀(jì)錄

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一毫秒聽起來可能微不足道,但對(duì)一個(gè)量子比特(qubit)而言,卻如同永恒。這或?qū)⑹沽孔佑?jì)算變得遠(yuǎn)為可靠。



芬蘭的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在量子比特(qubit)保持其信息的時(shí)間長度上,創(chuàng)下了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。

他們成功地將超導(dǎo)傳輸子量子比特(superconducting transmon qubit)的相干時(shí)間(coherence time)最佳值提升至整整一毫秒,中位數(shù)時(shí)間達(dá)到半毫秒。這聽起來可能很短暫,但在量子計(jì)算領(lǐng)域,這卻是一個(gè)可能改變游戲規(guī)則的巨大進(jìn)步。

更長的相干時(shí)間意味著量子比特能運(yùn)行更多操作,量子計(jì)算機(jī)在進(jìn)行計(jì)算時(shí),在錯(cuò)誤出現(xiàn)前能完成更多計(jì)算。

研究作者們指出:“一個(gè)高相干性的量子比特將使整個(gè)研究界受益,并加速全球在開發(fā)基于超導(dǎo)量子技術(shù)的量子傳感器、量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)方面的努力?!?/p>

通向穩(wěn)定超導(dǎo)量子比特之路

量子比特極其脆弱。它們很容易通過與環(huán)境的相互作用而丟失其量子態(tài),這個(gè)問題被稱為退相干(decoherence)。多年來,世界各地的科學(xué)家們一直在努力制造能保持足夠長時(shí)間穩(wěn)定以運(yùn)行復(fù)雜計(jì)算的量子比特。

此前,許多實(shí)驗(yàn)室常用的傳輸子量子比特所報(bào)告的最佳回波相干時(shí)間(echo coherence times)最多僅徘徊在0.6毫秒左右。突破這一極限被證明極其困難,因?yàn)榧词故遣牧匣驕y量裝置中微小的噪聲,也可能導(dǎo)致量子態(tài)坍縮。

為了克服這一難題,芬蘭阿爾托大學(xué)(Aalto University)的研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種具有異常高相干性的新型傳輸子量子比特。他們使用了超潔凈的超導(dǎo)薄膜,并在高度受控的無塵室環(huán)境中制造了芯片。

他們利用電子束光刻技術(shù)(一種在芯片上繪制微小圖案的技術(shù))仔細(xì)蝕刻電路,并精確制造了關(guān)鍵的約瑟夫森結(jié)(Josephson junctions),這些結(jié)如同量子比特的“大腦”。

研究人員還特別關(guān)注了氧化和材料純度,以減少那些通常導(dǎo)致量子比特過早失效的微觀缺陷。芯片制造完成后,使用稀釋制冷機(jī)(dilution refrigerator)將其冷卻至接近絕對(duì)零度。

這種低溫有助于保護(hù)脆弱的量子態(tài)。為了測量性能,他們使用了一種特殊的放大器來拾取微弱的量子信號(hào),而不引入額外噪聲。在芯片上的四個(gè)量子比特中,有一個(gè)(稱為Q2)表現(xiàn)尤為出色。

它展現(xiàn)出的最長相干時(shí)間略超過一毫秒,多次測試的中位數(shù)時(shí)間約為0.5毫秒,比之前報(bào)道的大多數(shù)設(shè)備長得多。更棒的是,這些結(jié)果在多次實(shí)驗(yàn)中得以復(fù)現(xiàn),證明了該方法的可靠性。

研究作者補(bǔ)充道:“這一結(jié)果標(biāo)志著高相干性超導(dǎo)量子比特發(fā)展邁出了重要一步,使傳輸子量子比特的能量弛豫時(shí)間(energy relaxation)和退相位時(shí)間(dephasing times)逼近了毫秒大關(guān)?!?/p>

量子計(jì)算的下一步

這是使量子計(jì)算機(jī)更具實(shí)用性的一大步。壽命更長的量子比特在丟失信息前能執(zhí)行更多操作,這意味著錯(cuò)誤更少,對(duì)復(fù)雜糾錯(cuò)技術(shù)的需求也會(huì)降低。

然而,將這一成果擴(kuò)展到大型量子系統(tǒng)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這是因?yàn)橐屚恍酒系脑S多傳輸子量子比特都維持毫秒級(jí)的相干性,遠(yuǎn)比讓少數(shù)幾個(gè)量子比特工作并實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子比特一毫秒的相干性要復(fù)雜得多。

研究人員將如何克服這一難題仍有待觀察。目前,為了幫助他人基于他們的工作繼續(xù)研究,研究人員已公開分享了所有制造細(xì)節(jié)、設(shè)計(jì)和測量協(xié)議。希望這些努力能讓我們離實(shí)現(xiàn)更實(shí)用的量子技術(shù)更近一步。

該研究已發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。

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