尋找超導(dǎo)量子比特信息丟失的原因

一項(xiàng)新研究為超導(dǎo)量子比特中的信息是如何丟失的提供了新線索。

今天談一個(gè)全世界都非常關(guān)注的東西——超導(dǎo)量子比特。

我們知道，量子計(jì)算可能為我們帶來(lái)不可思議的指數(shù)級(jí)計(jì)算加速，為我們的未來(lái)注入無(wú)限的想象力。而它的最基本單元叫做量子比特。量子比特是最簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)，它只有兩個(gè)能級(jí)——你可以簡(jiǎn)單理解為兩個(gè)能量狀態(tài)（注：能級(jí)可以理解為量子系統(tǒng)的某個(gè)能量狀態(tài)，與經(jīng)典系統(tǒng)不同——其能量可以連續(xù)變化，量子系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，是“一級(jí)一級(jí)”的，這也是我們?yōu)槭裁捶Q之為“量子”的來(lái)由）。

但是，正如經(jīng)典計(jì)算所基于的是最簡(jiǎn)單的邏輯單元——“開(kāi)關(guān)”，上百億個(gè)開(kāi)關(guān)形成的電路卻能完成今天如此不可思議的工作，那大量量子比特在一起形成的電路，加上量子獨(dú)有的“Buff”——疊加性和糾纏性，能做的事情就更是超乎想象了。因此，構(gòu)建一個(gè)“好”的量子比特，就成為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算最為關(guān)鍵的任務(wù)之一。那么如何構(gòu)建呢？肯定要先從素材入手。在微觀世界中，要想找到構(gòu)建量子比特的素材，也就是一對(duì)量子能級(jí)，實(shí)際上并不困難，甚至可以說(shuō)隨處可見(jiàn)。舉幾個(gè)例子，任何一個(gè)原子，圍繞著原子核的電子就有無(wú)窮多個(gè)能級(jí)，隨便挑選其中兩個(gè)，就可以算做一個(gè)量子比特；另外，電子是有自旋的，自旋的狀態(tài)剛好有兩種：向上或向下，簡(jiǎn)直就是天生的量子比特；在光子、原子核、分子等等微觀體系中，都可以構(gòu)造出量子比特，這樣的例子舉之不盡。不過(guò)，今天要講的主角超導(dǎo)量子比特卻是個(gè)例外。它不是在微觀粒子中，而是在宏觀器件中構(gòu)建量子比特。它的量子態(tài)不是某一個(gè)粒子的狀態(tài)，而是大量粒子形成的某種集體狀態(tài)。那是什么天生異質(zhì)，讓它這么受歡迎呢？

首先，超導(dǎo)量子比特是固態(tài)器件，也就是說(shuō)，它可以像晶體管那樣，印刷到芯片上。這帶來(lái)兩個(gè)好處，第一個(gè)自然就是便于集成和擴(kuò)展，這可是半導(dǎo)體晶體管能夠統(tǒng)治經(jīng)典計(jì)算世界的關(guān)鍵所在。另外一個(gè)則是它的位置是固定的。這個(gè)好處只有做過(guò)微觀粒子量子比特的人才會(huì)有的體會(huì)。以前面提到的電子自旋為例，它確實(shí)是天生的量子比特，但是，電子太輕太活躍了，要怎么把電子抓住就已經(jīng)是難比登天了，更遑論還要去精確地操控他們。直到今天我們才找到較好的方法去抓住原子并讓它們規(guī)矩排列，這些原子還是會(huì)一不留神就跑掉。對(duì)超導(dǎo)量子比特這樣的固態(tài)器件來(lái)說(shuō)，這根本就不是個(gè)問(wèn)題。它就是一只薛定諤的肥貓，趴在那里一動(dòng)不動(dòng)，為操控和測(cè)量它們提供了極大的便利。

其次，超導(dǎo)量子比特是基于宏觀量子態(tài)的。與微觀相對(duì)應(yīng)，宏觀是指有大量的粒子集體參與的行為，超導(dǎo)量子比特中，有百萬(wàn)到上億個(gè)庫(kù)珀對(duì)［注：庫(kù)珀對(duì)是由一對(duì)自旋相反、動(dòng)量（幾乎）相反的電子在晶格振動(dòng)（聲子）幫助下相互吸引形成的電子對(duì)，配對(duì)后因自旋為零而具有玻色子性質(zhì)，所有庫(kù)珀對(duì)會(huì)凝聚到基態(tài)而形成一個(gè)新的物相——超導(dǎo)態(tài)。］被約束在一個(gè)由約瑟夫森結(jié)和電容/電感形成的電路中。這有什么好處呢？首先，單個(gè)粒子與外界電磁場(chǎng)的相互作用極為微弱，大量粒子在一起，相互作用的強(qiáng)度就被大大地放大了，因此更容易操控和測(cè)量；其次，量子比特之間也更容易耦合，意味著我們可以很容易地將它們糾纏在一起。總之，超導(dǎo)量子比特這只薛定諤的貓很大只，所以我們擼起來(lái)就要容易得多。

說(shuō)完好處，該說(shuō)說(shuō)問(wèn)題了。正因?yàn)檫@只薛定諤的肥貓個(gè)頭太大，它也就更容易受到其他無(wú)關(guān)因素的影響。而在固體中這種“無(wú)關(guān)”因素實(shí)在太多了，同樣是宏觀量級(jí)的。這就導(dǎo)致了超導(dǎo)量子比特的“壽命”特別短。彈指一揮間，對(duì)于超導(dǎo)量子比特而言已經(jīng)如同?？菔癄€了。第一個(gè)超導(dǎo)量子比特的壽命只有幾納秒，經(jīng)過(guò)二十多年的努力，現(xiàn)在也僅提升至百微秒到毫秒量級(jí)，與基于微觀粒子的量子比特，比如離子阱的分鐘量級(jí)相比，要短得多。好在超導(dǎo)量子比特的操控時(shí)間也很短，兩相抵消，性能并不比離子阱等量子比特弱。

不管怎樣，提升量子比特的壽命，一直都是極為重要的研究主題。超導(dǎo)量子比特中最關(guān)鍵的部件是約瑟夫森結(jié)，了解其中的耗散機(jī)制，也就是能量或者說(shuō)信息是怎么丟掉，消失在“茫茫熱?！敝蟹浅Ｖ匾Ｎ覀円呀?jīng)弄清楚了包括電荷漲落、磁通漲落、準(zhǔn)粒子隧穿等退相干機(jī)制，并在這些認(rèn)知的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了像Transmon、Fluxonium這樣壽命很長(zhǎng)的量子比特。

2024年8月，來(lái)自芬蘭阿爾托大學(xué)的團(tuán)隊(duì)采用極為精密的熱電子輻射計(jì)來(lái)研究約瑟夫森結(jié)中的振蕩電流是如何轉(zhuǎn)化為熱量的。在不同的偏置區(qū)域，團(tuán)隊(duì)測(cè)到了不同的耗散行為，對(duì)應(yīng)不同的能量耗散機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)還建立了一個(gè)電路模型，解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，捕捉了約瑟夫森結(jié)及其周?chē)h(huán)境的動(dòng)態(tài)行為。這種輻射測(cè)量檢測(cè)方法為研究約瑟夫森動(dòng)力學(xué)提供了一種比傳統(tǒng)電測(cè)量方法更敏感的工具。實(shí)驗(yàn)的寬帶檢測(cè)能力為探索量子現(xiàn)象和提高超導(dǎo)量子比特的相干性提供了新的可能性。對(duì)量子計(jì)算和量子計(jì)量學(xué)都是有重要意義的。

隨著我們對(duì)超導(dǎo)量子比特材料和微觀機(jī)理理解的越發(fā)深入，相信未來(lái)我們能夠做出壽命更長(zhǎng)的量子比特。結(jié)合量子糾錯(cuò)方面的進(jìn)展，我們距離通用量子計(jì)算的時(shí)代已經(jīng)越來(lái)越近。