新南威尔士大学研究团队延长量子相干时间实现基准增长100倍

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新南威尔士大学的工程师显著增加了量子计算处理器存储信息的时间（图片来源：网络）

量子计算工程师为硅芯片性能设立了新标准。在量子计算的世界里，2ms是一段很长的时间。在这样的时间尺度上，一眨眼，也就是0.1秒，就相当于永恒。

新南威尔士大学的研究人员开辟了新天地，证明了“自旋量子比特”是量子计算机的基本信息单元，存储时间长达2ms。比之前在同一量子处理器中的基准测试要长100倍，这一“相干时间”也是在日益复杂的计算中可以操纵量子比特的时间。

凭借在理论量子计算方面的工作，Amanda Seedhouse博士为这一成就做出了贡献。她说：“相干时间越长意味着可以有更多的时间来存储量子信息，这正是进行量子操作时所需要的。这样有助于在丢失量子比特中的所有信息之前，按照预期的任何算法或顺序完成所有操作。”

Ingvild Hansen和Amanda Seedhouse在实验室进行量子计算实验（图片来源：网络）

在量子计算中保持运动的自旋越多，在计算过程中就越有可能保留信息。当自旋量子比特停止自旋时，计算就会崩溃，并且每个量子比特所表示的值都会丢失。2016年，新南威尔士大学的量子工程师通过实验证实了“扩展相干性”的概念。

挑战在于，未来的量子计算机如果要解决一些最困难的问题，例如寻找有效的疫苗、模拟天气系统和预测气候变化的影响，就需要跟踪数百万个量子比特。

去年年底，新南威尔士大学的同一团队就解决了一个困扰了工程师数十年的技术问题，即如何在不产生更多热量和干扰的情况下操纵数百万个量子比特。研究小组没有添加数千个微型天线来控制数百万个带有磁波的电子，而是想出了一种方法，通过引入一种称为“介电谐振器”的晶体，只使用一个天线来控制芯片中的所有量子比特。并将这一发现发表在《科学进展》杂志上。

随着越来越多的量子比特上线执行复杂的计算，当量子比特不仅像传统的二进制计算机那样表示1或0，还能同时表示两者的叠加态时，空间、热量和噪声问题将不可避免地增加。新南威尔士大学研究小组的方法就解决了这些问题。

然而，这一成就仍然有一些挑战需要解决。首席研究员Ingvild Hansen与Seedhouse一起解决了这些问题，她们的成果发表在《物理评论B》、《物理评论A》和《应用物理评论》上。

仅用一根天线就能同时控制数百万个量子比特是前进的一大步。虽然这是一项了不起的壮举，但工作中的量子计算机也需要单独操作它们。如果所有自旋量子比特都以几乎相同的频率旋转，它们将具有相同的值。如何单独控制它们，使它们在计算中表示不同的值呢？

Hansen说道：“首先，从理论上可以证明，我们能通过连续旋转的量子比特来改善相干时间。好比一个马戏团表演者在旋转盘子，只要盘子在旋转，表演就可以继续进行。同样，如果持续驱动量子比特，它们的信息就可以保存更长时间。这种“经过处理”的量子比特的相干时间超过了230微秒。”

在证明可以通过持续驱动量子比特来延长相干时间之后，下一个挑战是使驱动方法更加稳健，并证明全局控制的电子也可以单独控制，以便它们可以保存复杂计算所需的不同值。

这是通过被称为“SMART”的量子比特协议实现的：正弦调制、持续旋转和定制。他们没有让量子比特绕圈旋转，而是像节拍器一样操纵它们来回摇摆。然后，将电场单独应用于某个量子比特，使其脱离共振，与其他量子比特的振幅不同，但频率相同。

Seedhouse说：“把它想象成两个孩子在荡秋千，他们几乎同步前进和后退。如果推动其中一个，就可以让他们在相对的两端到达最高点，所以当一个是1状态时，另一个可以是0状态。”

这样在全局控制的情况下，不仅可以单独控制量子比特，还能显著延长相干时间，适合量子计算。该团队的高级研究人员之一Henry Yang博士说：“我们展示了一种以简单而优雅的方式来同时控制所有量子比特，并带来了更好的性能。而SMART协议将成为全面普及量子计算机的潜在途径。”

该研究团队由DIraq的首席执行官兼创始人Andrew Dzurak教授领导，DIraq是一家新南威尔士大学的衍生公司，正在开发可以使用标准硅芯片制造的量子计算机处理器。

Hansen说：“在我们的实验论文中，用一个量子比特展示我们的概念验证后，下一个目标是用两个及少数量子比特计算证明这一点，以证明该理论可以应用于实践。”

文章参考链接：

https://scitechdaily.com/100-times-longer-than-previous-benchmarks-a-quantum-breakthrough/

编译：卉可

编辑：慕一