一項新研究為超導量子位元中的資訊是如何丟失的提供了新線索。
撰文 | 金貽榮
今天談一個全世界都非常關注的東西——超導量子位元。
我們知道，量子計算可能為我們帶來不可思議的指數級計算加速，為我們的未來注入無限的想象力。而它的最基本單元叫做量子位元。量子位元是最簡單的量子系統，它只有兩個能級——你可以簡單理解為兩個能量狀態（注：能級可以理解為量子系統的某個能量狀態，與經典系統不同——其能量可以連續變化，量子系統表現出來的能量狀態是不連續的，是“一級一級”的，這也是我們為什麼稱之為“量子”的來由）。
但是，正如經典計算所基於的是最簡單的邏輯單元——“開關”，上百億個開關形成的電路卻能完成今天如此不可思議的工作，那大量量子位元在一起形成的電路，加上量子獨有的“Buff”——疊加性和糾纏性，能做的事情就更是超乎想象了。因此，構建一個“好”的量子位元，就成為了實現量子計算最為關鍵的任務之一。那麼如何構建呢？肯定要先從素材入手。在微觀世界中，要想找到構建量子位元的素材，也就是一對量子能級，實際上並不困難，甚至可以說隨處可見。舉幾個例子，任何一個原子，圍繞著原子核的電子就有無窮多個能級，隨便挑選其中兩個，就可以算做一個量子位元；另外，電子是有自旋的，自旋的狀態剛好有兩種：向上或向下，簡直就是天生的量子位元；在光子、原子核、分子等等微觀體系中，都可以構造出量子位元，這樣的例子舉之不盡。不過，今天要講的主角超導量子位元卻是個例外。它不是在微觀粒子中，而是在宏觀器件中構建量子位元。它的量子態不是某一個粒子的狀態，而是大量粒子形成的某種集體狀態。那是什麼天生異質，讓它這麼受歡迎呢？
首先，超導量子位元是固態器件，也就是說，它可以像電晶體那樣，印刷到晶片上。這帶來兩個好處，第一個自然就是便於整合和擴充套件，這可是半導體電晶體能夠統治經典計算世界的關鍵所在。另外一個則是它的位置是固定的。這個好處只有做過微觀粒子量子位元的人才會有的體會。以前面提到的電子自旋為例，它確實是天生的量子位元，但是，電子太輕太活躍了，要怎麼把電子抓住就已經是難比登天了，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並讓它們規矩排列，這些原子還是會一不留神就跑掉。對超導量子位元這樣的固態器件來說，這根本就不是個問題。它就是一隻薛定諤的肥貓，趴在那裡一動不動，為操控和測量它們提供了極大的便利。
其次，超導量子位元是基於宏觀量子態的。與微觀相對應，宏觀是指有大量的粒子集體參與的行為，超導量子位元中，有百萬到上億個庫珀對[注：庫珀對是由一對自旋相反、動量（幾乎）相反的電子在晶格振動（聲子）幫助下相互吸引形成的電子對，配對後因自旋為零而具有玻色子性質，所有庫珀對會凝聚到基態而形成一個新的物相——超導態。]被約束在一個由約瑟夫森結和電容/電感形成的電路中。這有什麼好處呢？首先，單個粒子與外界電磁場的相互作用極為微弱，大量粒子在一起，相互作用的強度就被大大地放大了，因此更容易操控和測量；其次，量子位元之間也更容易耦合，意味著我們可以很容易地將它們糾纏在一起。總之，超導量子位元這隻薛定諤的貓很大隻，所以我們擼起來就要容易得多。
說完好處，該說說問題了。正因為這隻薛定諤的肥貓個頭太大，它也就更容易受到其他無關因素的影響。而在固體中這種“無關”因素實在太多了，同樣是宏觀量級的。這就導致了超導量子位元的“壽命”特別短。彈指一揮間，對於超導量子位元而言已經如同海枯石爛了。第一個超導量子位元的壽命只有幾納秒，經過二十多年的努力，現在也僅提升至百微秒到毫秒量級，與基於微觀粒子的量子位元，比如離子阱的分鐘量級相比，要短得多。好在超導量子位元的操控時間也很短，兩相抵消，效能並不比離子阱等量子位元弱。
不管怎樣，提升量子位元的壽命，一直都是極為重要的研究主題。超導量子位元中最關鍵的部件是約瑟夫森結，瞭解其中的耗散機制，也就是能量或者說資訊是怎麼丟掉，消失在“茫茫熱海”中非常重要。我們已經弄清楚了包括電荷漲落、磁通漲落、準粒子隧穿等退相干機制，並在這些認知的基礎上設計出了像Transmon、Fluxonium這樣壽命很長的量子位元。
2024年8月，來自芬蘭阿爾託大學的團隊採用極為精密的熱電子輻射計來研究約瑟夫森結中的振盪電流是如何轉化為熱量的。在不同的偏置區域，團隊測到了不同的耗散行為，對應不同的能量耗散機制。研究團隊還建立了一個電路模型，解釋了實驗結果，捕捉了約瑟夫森結及其周圍環境的動態行為。這種輻射測量檢測方法為研究約瑟夫森動力學提供了一種比傳統電測量方法更敏感的工具。實驗的寬頻檢測能力為探索量子現象和提高超導量子位元的相干性提供了新的可能性。對量子計算和量子計量學都是有重要意義的。
隨著我們對超導量子位元材料和微觀機理理解的越發深入，相信未來我們能夠做出壽命更長的量子位元。結合量子糾錯方面的進展，我們距離通用量子計算的時代已經越來越近。
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