寻找超导量子比特信息丢失的原因

2024-12-02

下面的文章来自于回朴，作者金贻荣

返朴.

追溯守拙·问学求新

一项新的研究为超导量子比特中的信息如何丢失提供了新的线索。

发文 | 金贻荣

今日，我们来谈谈超导量子比特，这是全世界非常关注的问题。

众所周知，量子计算可能会加速我们不可思议的指数级计算，为我们的未来注入无限的想象。而且它最基本的模块叫做量子比特。量子比特是最简单的量子系统，它只有两个能量水平——你可以简单地理解为两个能量状态(注:能量水平可以理解为量子系统的某个能量状态，不同于经典系统——它的能量可以不断变化，量子系统所表现出来的能量状态是不连续的，是“一级一级”的，这就是为什么我们称之为“量子”)。

然而，正如经典计算所基于最简单的逻辑单元“开关”一样，数百亿个开关形成的电路今天可以完成如此不可思议的工作。大量量子比特形成的电路，加上量子特有的“Buff"-叠加与纠缠，能做的事更是超乎想象。所以，构建一个“好”的量子比特，就成了实现量子计算最重要的任务之一。所以怎样构建呢？首先要从材料入手。如果想要找到构建量子比特的材料，也就是一对量子能级，其实并不难，甚至可以说到处都是。比如任何一个原子，围绕原子核电子都有无限多个能级。如果随意选择其中两个，可以算是量子比特；另外，电子是自旋的，自旋的状态正好有两种:向上或向下，简直就是天然的量子比特；量子比特可以在光子、原子核、分子等微观系统中构建。这样的例子无穷无尽。然而，今天要讲的主角超导量子比特却是个例外。这不是微粒，而是在宏观设备中构建量子比特。其量子状态不是某个粒子的状态，而是由大量粒子形成的某个集体状态。那么是什么天生的异质，让它如此受欢迎呢？

第一，超导量子比特是一种固体设备，换句话说，它可以像晶体管一样印刷到芯片上。它带来了两个好处，首先当然是便于集成和扩展，这是半导体晶体管统治经典计算世界的关键因素。另外一种是它的位置是固定的。这一优点只有做过微粒量子比特的人才会有一些感觉。以前面提到的电子旋转为例，它确实是一个天然的量子比特。但是电子太轻太活跃，很难抓住电子，更不用说准确控制它们了。直到今天，我们才找到更好的方法来抓住原子，并且让它们有规律地排列，这些原子仍然会在不小心的情况下逃跑。对于像超导量子比特这样的固体设备来说，这根本不是问题。这是一只薛定谔的肥猫，躺在那儿一动不动，为控制和测量它们提供了极大的方便。

第二，超导量子比特是基于宏观量子态。与微观相对应，宏观是指大量颗粒集体参与的行为。在超导量子比特中，库珀对数百万至上亿次[注:库珀对是在晶格振动(声子)的帮助下，由一对自旋相反、动量(几乎)相反的电子相互欣赏形成的电子对。匹配后，由于自旋为零，具有玻色子的特性，所有库珀对都会凝结到基状态，产生新的物相-超导态。]在一条由约瑟夫森结和电容/电感组成的电路中受到限制。这个好处是什么？首先，单个颗粒与外部磁场的相互作用极其微弱。当大量颗粒在一起时，相互作用的强度会大大放大，因此更容易控制和测量。其次，量子比特之间更容易联系，这意味着我们可以很容易地将它们联系在一起。总而言之，薛定谔的超导量子比特是一只大猫，所以我们卷起来要容易得多。

谈完好处，就该谈问题了。由于这只薛定谔的肥猫太大了，它也更容易受到其它无关紧要因素的影响。但是这种“无关紧要”的因素在固态中实在太多了，同样是宏观的。因此，超导量子比特的“寿命”特别短。对超导量子比特而言，弹指一挥间已像海枯石一样腐烂。第一个超导量子比特的寿命只有几纳秒。经过20多年的努力，现在只升级到100微秒到ms量级，比基于微粒子的量子比特短很多，比如离子陷阱的分钟量级。幸运的是，超导量子比特的控制时间也很短，二相抵消，性能不比离子陷阱等量子比特弱。

无论如何，提高量子比特的寿命一直是一个极其重要的研究课题。超导量子比特中最关键的部件是约瑟夫森结。了解损耗机制，即如何丢失能量或信息，在“广阔的热海”中消失是非常重要的。我们已经明确了退出的相关机制，包括电荷涨跌、磁通涨跌、准粒子隧穿等。，并在这些认知的基础上设计了Transmon。、像Fluxonium这样寿命长的量子比特。

2024年8月，芬兰阿尔托大学团队选择极其精密的热电子辐射计，讨论约瑟夫森结中的振荡电流是如何转化为热量的。团队在不同的偏置区域测量不同的损耗行为，对应不同的能量消耗机制。研究小组还建立了一个电路模型，对约瑟夫森结及其周围环境的动态行为进行了解释。这一辐射测量检测方法为约瑟夫森动力学的研究提供了一种比传统电测方法更敏感的工具。为探索量子现象，提高超导量子比特的相关性，实验宽带检测能力提供了新的概率。对于量子计算和量子计量都有重要意义。

随着我们对超导量子比特材料和微观机理解的加深，我们相信我们将来可以制作更长寿命的量子比特。结合量子纠错的进展，我们越来越接近通用量子计算的时代。

由“智谱清言”生成的文章头图。

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