一项新研究为超导量子比特中的信息是怎么样丢失的提供了新线索。

撰文 | 金贻荣

今天谈一个全世界都很关注的东西——超导量子比特。

大家了解，量子计算可能为大家带来不可思议的指数级计算加速，为大家的将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况（注：能级可以理解为量子系统的某个能量状况，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况是不连续的，是“一级一级”的，这也是大家为何称之为“量子”的来由）。

但，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可以完成今天这样不可思议的工作，那很多量子比特在一块形成的电路，加上量子独有些“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，就成为了达成量子计算最为重点的任务之一。那样怎么样构建呢？一定要先从素材入手。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，事实上并不困难，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，随意挑选其中两个，就能算做一个量子比特；另外，电子是有自旋的，自旋的状况刚好有两种：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，都可以架构出量子比特，如此的例子举之不尽。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况，而是很多粒子形成的某种集体状况。那是什么天生异质，让它这么受青睐呢？

第一，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可以统治经典计算世界的重点所在。另外一个则是它的地方是固定的。这个好处只有做过微观粒子量子比特的人才会有些领会。以前面提到的电子自旋为例，它确实是天生的量子比特，但，电子太轻太活跃了，要如何把电子抓住就已经是难比登天了，更遑论还要去精准地操控他们。直至今大家才找到较好的办法去抓住原子并让它们规矩排列，这类原子还是会一不留心就跑掉。对超导量子比特如此的固态器件来讲，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很大的便利。

第二，超导量子比特是基于宏观量子态的。与微观相对应，宏观是指有很多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备玻色子性质，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。这有哪些好处呢？第一，单个粒子与外面电磁场的相互用途极为微弱，很多粒子在一块，相互用途的强度就被大大地放大了，因此更容易操控和测量；第二，量子比特之间也更容易耦合，意味着大家可以比较容易地将它们纠缠在一块。总之，超导量子比特这只薛定谔的猫非常大只，所以大家撸起来就要容易得多。

说完好处，该说说问题了。正由于这只薛定谔的肥猫个头太大，它也就更容易遭到其他无关原因的影响。而在固体中这种“无关”原因实在太多了，同样是宏观量级的。这就致使了超导量子比特的“寿命”特别短。弹指一挥间，对于超导量子比特而言已经好似海枯石烂了。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，目前也仅提高至百微秒到毫秒量级，与基于微观粒子的量子比特，譬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非常短，两相抵消，性能并不比离子阱等量子比特弱。

不管如何，提高量子比特的寿命，一直都是极为要紧的研究主题。超导量子比特中最重要的部件是约瑟夫森结，知道其中的耗散机制，也就是能量或者说信息是如何扔掉，消失在“茫茫热海”中尤为重要。大家已经弄了解了包含电荷涨落、磁通涨落、准粒子隧穿等退相干机制，并在这类认知的基础上设计出了像Transmon、Fluxonium如此寿命非常长的量子比特。

2024年8月，来自芬兰阿尔托大学的团队使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怎么样转化为热量的。在不一样的偏置地区，团队测到了不一样的耗散行为，对应不一样的能量耗散机制。研究团队还打造了一个电路模型，讲解了实验结果，捕捉了约瑟夫森结及其周围环境的动态行为。这种辐射测量测试办法为研究约瑟夫森动力学提供了一种比传统电测量办法更敏锐的工具。实验的宽带测试能力为探索量子现象和提升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要紧意义的。

伴随大家对超导量子比特材料和微观机理理解的越发深入，相信将来大家可以做出寿命更长的量子比特。结合量子纠错方面的进展，大家距离通用量子计算的年代已经愈加近。

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Tags：量子力学