量子比特中信息保存时间太短,一直是阻碍实用量子计算机实现的最大难题 。美国普林斯顿大学工程师在这一关键问题上取得重大突破:研制出一种“长寿”的超导量子比特 ,“相干时间 ”超过1毫秒。这是目前实验室最佳版本的3倍 、业界标准的近15倍,也是十多年来量子比特寿命的最大提升。研究人员基于该比特构建了一个完全运行的量子芯片,并验证了其性能 ,为实现高效纠错和系统扩展清除了一大障碍 。相关成果5日发表于《自然》杂志。
延长相干时间是量子计算实用化的关键。研究团队指出,新比特的结构与谷歌、IBM等公司使用的跨子(transmon)量子比特相似,可直接替换到现有处理器中。理论上,如果将此次研发的组件替换进谷歌最先进的量子芯片Willow ,其性能将提升约1000倍 。更重要的是,这种优势会随着系统规模扩大而呈指数级增长,意味着增加更多比特将带来更显著的收益。
跨子量子比特是在极低温下运行的超导电路 ,具有抗干扰性强、易与现有电子制造兼容等优势。然而,跨子量子比特的相干时间长期难以突破 。谷歌的最新研究表明,其量子处理器性能提升的主要瓶颈在于材料质量。
为此 ,团队采用了“双管齐下”的策略:一是使用金属钽取代常用铝,以减少能量损失;二是用高纯度硅替代传统蓝宝石基底。能量损失是量子计算中最主要的误差来源,而钽表面缺陷少 、能量保持能力更强 ,从而显著提升量子比特的稳定性与计算精度;硅则是成熟的半导体材料,能提高制造一致性且便于规模化生产 。
实验结果显示,这一设计显著延长了量子比特的相干时间 ,在蓝宝石基底上就已刷新纪录,而与硅结合后性能更进一步,达到目前世界最高水平。研究团队指出,量子计算机的性能取决于两个核心因素:系统中量子比特的总数量 ,每个比特在出错前能执行的运算次数。新研究同时改善了这两个方面 。
谷歌量子AI首席科学家、2025年诺贝尔物理学奖得主米歇尔·德沃雷评价称,延长量子电路寿命一直是物理学家的“灵感折戟之地”,而普林斯顿团队“让看似不可能的方案成为现实 ”。专家认为 ,这一成果为造出实用量子计算机迈出了关键一步。
(文章来源:科技日报)
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