寻找超导量子比特信息丢失的原因

学术 2024-11-24 00:01 安徽

一项新研究为超导量子比特中的信息是如何丢失的提供了新线索。

撰文 | 金贻荣

今天谈一个全世界都非常关注的东西——超导量子比特。

我们知道，量子计算可能为我们带来不可思议的指数级计算加速，为我们的未来注入无限的想象力。而它的最基本单元叫做量子比特。量子比特是最简单的量子系统，它只有两个能级——你可以简单理解为两个能量状态（注：能级可以理解为量子系统的某个能量状态，与经典系统不同——其能量可以连续变化，量子系统表现出来的能量状态是不连续的，是“一级一级”的，这也是我们为什么称之为“量子”的来由）。

但是，正如经典计算所基于的是最简单的逻辑单元——“开关”，上百亿个开关形成的电路却能完成今天如此不可思议的工作，那大量量子比特在一起形成的电路，加上量子独有的“Buff”——叠加性和纠缠性，能做的事情就更是超乎想象了。因此，构建一个“好”的量子比特，就成为了实现量子计算最为关键的任务之一。那么如何构建呢？肯定要先从素材入手。在微观世界中，要想找到构建量子比特的素材，也就是一对量子能级，实际上并不困难，甚至可以说随处可见。举几个例子，任何一个原子，围绕着原子核的电子就有无穷多个能级，随便挑选其中两个，就可以算做一个量子比特；另外，电子是有自旋的，自旋的状态刚好有两种：向上或向下，简直就是天生的量子比特；在光子、原子核、分子等等微观体系中，都可以构造出量子比特，这样的例子举之不尽。不过，今天要讲的主角超导量子比特却是个例外。它不是在微观粒子中，而是在宏观器件中构建量子比特。它的量子态不是某一个粒子的状态，而是大量粒子形成的某种集体状态。那是什么天生异质，让它这么受欢迎呢？

首先，超导量子比特是固态器件，也就是说，它可以像晶体管那样，印刷到芯片上。这带来两个好处，第一个自然就是便于集成和扩展，这可是半导体晶体管能够统治经典计算世界的关键所在。另外一个则是它的位置是固定的。这个好处只有做过微观粒子量子比特的人才会有的体会。以前面提到的电子自旋为例，它确实是天生的量子比特，但是，电子太轻太活跃了，要怎么把电子抓住就已经是难比登天了，更遑论还要去精确地操控他们。直到今天我们才找到较好的方法去抓住原子并让它们规矩排列，这些原子还是会一不留神就跑掉。对超导量子比特这样的固态器件来说，这根本就不是个问题。它就是一只薛定谔的肥猫，趴在那里一动不动，为操控和测量它们提供了极大的便利。

其次，超导量子比特是基于宏观量子态的。与微观相对应，宏观是指有大量的粒子集体参与的行为，超导量子比特中，有百万到上亿个库珀对[注：库珀对是由一对自旋相反、动量（几乎）相反的电子在晶格振动（声子）帮助下相互吸引形成的电子对，配对后因自旋为零而具有玻色子性质，所有库珀对会凝聚到基态而形成一个新的物相——超导态。]被约束在一个由约瑟夫森结和电容/电感形成的电路中。这有什么好处呢？首先，单个粒子与外界电磁场的相互作用极为微弱，大量粒子在一起，相互作用的强度就被大大地放大了，因此更容易操控和测量；其次，量子比特之间也更容易耦合，意味着我们可以很容易地将它们纠缠在一起。总之，超导量子比特这只薛定谔的猫很大只，所以我们撸起来就要容易得多。

说完好处，该说说问题了。正因为这只薛定谔的肥猫个头太大，它也就更容易受到其他无关因素的影响。而在固体中这种“无关”因素实在太多了，同样是宏观量级的。这就导致了超导量子比特的“寿命”特别短。弹指一挥间，对于超导量子比特而言已经如同海枯石烂了。第一个超导量子比特的寿命只有几纳秒，经过二十多年的努力，现在也仅提升至百微秒到毫秒量级，与基于微观粒子的量子比特，比如离子阱的分钟量级相比，要短得多。好在超导量子比特的操控时间也很短，两相抵消，性能并不比离子阱等量子比特弱。

不管怎样，提升量子比特的寿命，一直都是极为重要的研究主题。超导量子比特中最关键的部件是约瑟夫森结，了解其中的耗散机制，也就是能量或者说信息是怎么丢掉，消失在“茫茫热海”中非常重要。我们已经弄清楚了包括电荷涨落、磁通涨落、准粒子隧穿等退相干机制，并在这些认知的基础上设计出了像Transmon、Fluxonium这样寿命很长的量子比特。

2024年8月，来自芬兰阿尔托大学的团队采用极为精密的热电子辐射计来研究约瑟夫森结中的振荡电流是如何转化为热量的。在不同的偏置区域，团队测到了不同的耗散行为，对应不同的能量耗散机制。研究团队还建立了一个电路模型，解释了实验结果，捕捉了约瑟夫森结及其周围环境的动态行为。这种辐射测量检测方法为研究约瑟夫森动力学提供了一种比传统电测量方法更敏感的工具。实验的宽带检测能力为探索量子现象和提高超导量子比特的相干性提供了新的可能性。对量子计算和量子计量学都是有重要意义的。

随着我们对超导量子比特材料和微观机理理解的越发深入，相信未来我们能够做出寿命更长的量子比特。结合量子纠错方面的进展，我们距离通用量子计算的时代已经越来越近。

声明：此文是出于传递更多信息之目的。部分图片、资料来源于网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系后台删除。

往期推荐:

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2NTAzMzkxMA==&mid=2247755197&idx=6&sn=992e38aa430638fcf80b74f24447016e

蔻享学术

传播科学、共享科学、服务科学

【直播】【大湾区物理讲堂】北大林熙教授：极低温电测量与分数量子霍尔态的分布

【蔻享书苑】礼享感恩季 | 百部牛津大学出版社英文原版图书九折献礼

【直播】【中国科大寰宇开物天文讲坛】清华蔡峥研究员：高红移星系周气体与大尺度结构

【直播】“中国科大统计和计算物理邓友金课题组”专栏 | Deep Learning Theory through the…

【直播】【KeAi】老年人认知退化与社区筛查发展和机遇

美国数学大奖首位女性华人得主！她说：我只是一个普通人

【期刊】光热纳米材料：设计、机理与应用 | 中国科学院宁波材料所张建团队GEE

第二届量子智能计算研讨会 | 第一轮通知

【直播】2024年ICTP-AP首届理论物理冬季学校

【蔻享书苑】礼享感恩季 | 百部牛津大学出版社英文原版图书九折献礼

【直播】【中科院理论物理所】中物院王旭研究员 | 钍229：原子核钟与激光核物理

【通知】第三届数字孪生与智能建造学术会议

寻找超导量子比特信息丢失的原因

【期刊】组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA处理对杨树茎生长发育的影响

【直播】2024年广东省物理学会学术年会暨中山大学物理学科百年论坛

【直播】2024年《国家科学评论》物理与信息科学前沿论坛

【直播】“柔性电子与智慧健康交叉创新论坛” 国际学术会议

【直播】第十二届全国工程地质大会（开幕式+大会）

【直播】上科大冯继成研究员：逐风追电

脂肪细胞记得你胖过

【期刊】石墨相氮化碳光催化制双氧水——能源带工程的创新路径

【直播】中国科学院大学2024年研究生物理学科学术论坛（邀请报告）

【蔻享-欧洲博士沙龙】剑桥CSSA ×玛丽居里学者华人学会 × Leverhulme

【直播】【大湾区物理讲堂】吉林大学王彦超教授：基于数据驱动的晶体结构预测新方法与应用

【直播】【北大物理学院】Steven Allan Kivelson教授：The electron-phonon problem…

【直播】中德新能源与数智化国际学术会议

【直播】第四届空天地海一体化信息网络大会（开幕式+大会）

太阳究竟花了多久才形成？

【期刊】InfoMat编辑推荐：钙钛矿材料与器件（二）

【直播】第二届光学与光子学国际学术会议

【直播】【北大物理学院】低能标下基于潘宁阱离子精密测量的标准模型检验

【直播】第八届能源工程与环境保护国际学术会议

【直播】【复旦理论物理报告会】浙大颜波教授：冷原子动量晶格及激光冷却分子研究进展

【直播】【未来海洋讲坛】北大胡永云教授 & 中国科学院外籍院士陈德亮

天外玄铁：陨石的铸剑传奇

【期刊】回收钛酸锶(SrTiO₃)基底助力复杂氧化物薄膜可持续生长

【直播】【中大郭硕鸿讲座】南大闻海虎教授 | 镍基超导：高温超导研究的新高地

【蔻享书苑】礼享感恩季 | 百部牛津大学出版社英文原版图书九折献礼

【直播】【上海交大物理与天文学院】中国科大徐宁教授：非晶固体的负载不稳定性

【直播】【上海天文台天体物理】浙大岑人岳教授：星系形成问题

【直播】【孟德尔论坛】种康院士：水稻耐寒信号网络与分子设计潜力

【直播】【福大量子物质前沿讲座系列】A Holographic View on Symmetry, Duality, and…

新研究发现运动的又一个好处！

【期刊】化学气相沉积二维二硫化钼的局部应变依赖蚀刻图案

上海交大李政道研究所丁洪院士荣获2024年发展中国家科学院物理、天文和空间科学奖

深切缅怀赵凯华先生 | 学习先生教书育人

【直播】【纳米光电子系列】华南理工谢弘超教授：二维莫尔磁体中的新奇磁性

【直播】【陶术生物】徐彦辉研究员：转录起始的动态过程

【直播】Klaus Blaum教授：奇异物质--深入洞悉世界的起源

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉