中性原子量子计算机宣布实现创纪录的相干时间

光子盒研究院出品

相干时间(Coherence Times)是量子比特质量的重要指标之一，它代表了量子比特可以维持量子态(外部环境干扰会破坏量子态)的时间，在计算时间一定的情况下，相干时间越长，量子计算机完成的计算就越多。因此，实现更长的相干时间是量子计算领域的共同目标。

5月20日，Atom Computing公司的研究人员报告了他们在其100+量子比特中性原子量子计算机Phoenix上实现的相干时间最新记录——是之前的10万倍。研究成果以《核自旋量子比特寄存器的组装和相干控制》[1]为题发表在《自然通讯》杂志上。

我们知道，相干时间包括弛豫时间T₁和寿命T₂。在实验中，Phoenix的T₂为40±7秒——该团队表示这是商业平台上有史以来最长的相干时间。T₁几乎是无限的。

研究团队称，较长的相干时间为量子计算机提供了很多优势。“这很重要，因为更长的相干时间意味着对运行深层电路的限制更少，而且纠错方案有更多的时间通过中间电路测量来检测和纠正错误[2]。”

实现长相干时间要求量子比特与环境的相互作用最小，但这一要求往往伴随着一个缺点：通常情况下，量子比特与环境的相互作用越弱，就越难将该量子比特与用于驱动执行量子计算所需的、相互作用的控制场耦合。

研究人员通过选择基于中性原子的量子比特，并通过软件可配置的动态激光器进行单量子比特控制来克服这个缺点。上述动态激光器可以以亚微米的空间精度和亚微秒的时间精度被引导和驱动。

在一个由21个量子比特组成的阵列上执行的Ramsey回波（Ramsey-echo）测量在数十秒内表现出高对比度，表明T₂^echo=40±7秒。该团队表示，这是迄今为止在商业平台上展示的最长的相干时间。

具体来说，研究团队开发的软件可配置的光学控制方案使Phoenix可以同时驱动单列或单行内所有量子比特的任意单量子门操作，同时保持长相干时间。

Phoenix实验架构图。量子比特被困在一个真空室中，并使用软件可配置的动态激光器通过一个高数值孔径的显微镜物镜进行控制。读取是通过同一显微镜物镜收集散射光到一个相机上进行的。

在以上中性原子模式中，Phoenix将量子信息——量子比特状态|0>和|1>，编码在一个不带电的锶原子的两个核自旋状态中。这种类型的编码提供了两个关键优势：核自旋态的第一个优势是，由于两个量子比特态都存在于电子基态中，一个状态自发衰变到另一个状态所需的时间（又称自旋弛豫时间T₁）实际上是无限的。

自旋弛豫时间（称为T₁）描述了一个量子比特状态自发衰变到另一个状态所需的时间。一个短的T1将表现为一条从1附近开始并向下漂移的线。此次研究测量结果没有明显的向下漂移，这表明实验自旋弛豫时间远远长于最长的测量时间。

核自旋量子比特的第二个关键优势是，由于量子比特状态具有如此相似的能量，它们受外部场的影响几乎相同。研究人员解释道，“这意味着扰动，例如那些由外部施加的诱导光引起的扰动，将以同样的方式影响两个量子比特状态。由于这些扰动是共模的，它们不会影响系统的整体相干性。这一特点从根本上使我们的创世界纪录的相干时间得以实现。”

该论文还总结了构建大规模商业量子计算机方面的几个技术步骤，包括：长相干时间，驱动任意单量子比特操作的能力，以及捕获100+量子比特的能力，研究人员相信这些能力在未来将可以大幅提升。

该公司称：“当我们开发第二代量子计算机时，我们将在Phoenix的成熟架构和成功经验的基础上，扩大到具有足够高的保真度和量子比特数量的系统，以解决经典计算机无法解决的问题。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-29977-z

[2]https://atom-computing.com/establishing-world-record-coherence-times-on-nuclear-spin-qubits-made-from-neutral-atoms/

—End—

相关阅读：

每周一到周五上午，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：