太好了!科學家成功實現:延長量子計算機中「量子比特」的壽命!

2020-12-22 騰訊網

東京醫科大學、日本理化學研究所和東京大學的一個研究小組，展示了如何通過使用額外的「過濾」量子比特來延長量子計算機中的量子比特壽命。這項研究可能有助於製造可用於金融、密碼和化學應用的高保真量子計算機。量子計算機將在從網際網路安全到藥物開發的各個領域產生巨大影響。與經典計算機的二進位0和1不同，量子計算機中的量子比特可以採用這兩個值的任意疊加。

這使得量子計算機有可能比目前的經典計算機更快地解決某些問題，比如破解密碼。然而，在量子比特疊加的壽命和處理速度之間有一個基本折衷。這是因為必須小心地屏蔽量子比特與環境的相互作用，否則脆弱的疊加將在一個稱為退相干的過程中迅速恢復為1或0。為了延緩這種量子保真度的損失，量子計算機中的量子比特僅微弱地耦合到施加量子比特控制脈衝的控制線上。

不幸的是，這種弱耦合限制了計算可以運行的速度。現在，東京醫科大學(TMDU)的研究小組，在理論上展示了如何將第二個「濾波器」量子比特耦合到控制線上，從而大大減少導致消相干的噪聲和自發輻射損失，這使得連接更加牢固，從而縮短了周期。研究的第一作者小野和樹(Kazuki Koshino)說：在我們的解決方案中，過濾量子比特就像一面非線性鏡子。

（上圖所示）約瑟夫森量子濾波器原理圖(Jqf)，要保護的數據量子比特(DQ)和JQF直接耦合到半無限波導，通過該波導施加用於DQ的控制脈衝。圖片：Tokyo Medical and Dental University

由於破壞性幹涉，它完全反射量子比特的輻射，但由於吸收飽和，它會發射強烈的控制脈衝。這項研究有助於創造一個未來，在這個未來，量子計算機可以在每個商業和研究實驗室找到。許多運籌學公司希望使用量子計算機來解決傳統計算機無法解決的優化問題，而化學家則希望用它們來模擬分子內原子的運動。包括IBM和谷歌在內的公司每天都在改進量子計算機，隨著它們變得更快、更穩定。

（上圖所示）連續施加π脈衝下數據量子位激發概率的時間演化，紅色實線(藍色虛線)顯示了使用(不使用)jqf的結果。圖片：Tokyo Medical and Dental University

超導量子比特和控制線之間的耦合，不可避免地導致量子比特向控制線的輻射衰變。新研究提出了一種約瑟夫森量子濾波器(JQF)，它在不降低數據量子比特(DQ)上的選通速度情況下，保護數據量子比特(DQ)不受通過控制線輻射衰減的影響。約瑟夫森量子濾波器由一個強耦合到量子比特的控制線量子比特組成，其工作原理是波導量子電動力學設置的特徵的亞輻射效應。約瑟夫森量子濾波器是無源電路元件，因此適用於集成在可擴展超導量子比特系統中。

博科園｜研究/來自：東京醫科大學

參考期間《應用物理評論》

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