硅基量子计算机的又一突破：相干时间提高100倍以上

光子盒研究院出品

量子比特数量和相干时间是量子计算机最重要的指标之一，昨天我们报道了创纪录的硅自旋量子比特数量，而今天我们将关注硅基量子计算机的又一突破：新南威尔士大学的工程师将他们的量子计算处理器保存信息的时间(相干时间)大大延长了100倍以上，9月27日研究成果以《在硅中实现用于全局量子比特控制的高级修整协议》为题[1]，发表在《应用物理快报》期刊上。

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硅自旋量子比特：相干时间越长，信息丢失越少

两毫秒或千分之二秒在量子计算的世界里是一个超长的时间。现在，新南威尔士大学的一个研究小组在证明硅自旋量子比特可以保持信息长达两毫秒方面取得了新的突破：这一成就被称为“相干时间”，即量子比特在日益复杂的计算中可以被操纵的时间长度，它比以前同一量子处理器的基准时间长100倍。

该研究团队由Diraq的首席执行官兼创始人Andrew Dzurak教授领导，Diraq是新南威尔士大学的衍生公司，正在开发可以使用标准硅芯片制造的量子计算机处理器。“更长的相干时间意味着将有更多的时间来存储量子信息，这正是进行量子操作时需要的。”博士生Amanda Seedhouse说，她在理论量子计算方面的工作促成了这一成就。

“相干时间基本上是告诉你，在失去你的量子比特中的所有信息之前，你可以在你想做的任何算法或序列中做所有的操作多久。”

在量子计算中，越能保持自旋运动，信息在计算过程中得以保持的机会就越大。当自旋量子比特停止旋转时，计算就会崩溃，每个量子比特所代表的数值就会丢失。2016年，新南威尔士大学的量子工程师已经在实验中证实了扩展相干性的概念。

使这项任务更具挑战性的是，未来的工作量子计算机如果要解决人类的一些最大挑战，如寻找有效的疫苗、模拟天气系统和预测气候变化的影响，就需要跟踪数百万量子比特的值。

在硅中控制量子比特的旋转可以确保未来量子计算机芯片的生产可以使用现有的制造技术。

去年年底，新南威尔士大学的同一个团队解决了一个困扰工程师几十年的技术问题，即如何在不产生更多热量和干扰的情况下操纵数百万的量子比特。该研究小组没有增加数以千计的微小天线来用磁波控制数以百万计的电子，而是想出了一个办法，通过引入一种称为介质谐振器的晶体，只用一根天线来控制芯片中的所有量子比特。这些成果发表在《科学进展》上[2]。

这解决了空间、热量和噪声的问题，这些问题会随着越来越多的量子比特的上线而不可避免地增加，当量子比特不仅像传统的二进制计算机一样代表1或0，而且同时代表两者时，利用一种被称为量子叠加的现象，就可以进行令人惊讶的计算。

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全局控制与局部控制：相干时间显著延长

然而，这一概念验证成果仍有一些挑战需要解决。首席研究员Ingvild Hansen与Seedhouse一起，在《物理评论B》[3]、《物理评论A》[4]和《应用物理评论》[1]杂志上发表了一系列论文来解决这些问题。

Ingvild Hansen和Amanda Seedhouse在进行量子计算实验的实验室。

能够只用一根天线控制数百万个量子比特是一个很大的进步。但是，虽然一次控制数百万个量子比特是一个伟大的壮举，但工作中的量子计算机还需要对它们进行单独操纵。如果所有的自旋量子比特都以几乎相同的频率旋转，它们就会有相同的数值。我们怎样才能单独控制它们，使它们在计算中代表不同的数值？

Hansen说[5]：“首先，我们从理论上表明，可以通过连续旋转量子比特来提高相干时间。如果想象一个马戏团的表演者旋转盘子，只有当它们还在旋转时，表演才可以继续。以同样的方式，如果我们连续驱动量子比特，它们可以保持信息更长时间。我们表明，这种量子比特的相干时间超过230微秒（0.23毫秒）。”

在该团队表明相干时间可以用所谓的“修饰的”（dressed）量子比特来延长后，下一个挑战是使协议更加鲁棒，并表明全局控制的电子也可以被单独控制，以便它们可以持有复杂计算所需的不同数值。

最佳的调制方式。不同的量子比特协议有不同的最佳旋转功率，也有不同的T1时间。

这是通过创建团队称之为“SMART”的量子比特协议来实现的，这一协议包括正弦波调制、始终旋转和定制。

他们没有让量子比特绕圈旋转，而是操纵它们像节拍器一样来回摇晃。然后，如果对任何一个量子比特单独施加一个电场使其脱离共振，就可以使其进入与相邻量子比特不同的节奏，但仍以相同的节奏运动。

Seedhouse说：“想想看，这就像两个荡秋千的孩子，他们几乎是同步前进和后退的。如果我们给他们中的一个人推一把，我们可以让他们在相反的两端达到弧线的终点，所以当另一个人现在是1的时候，一个人可以是0。”

其结果是，不仅可以在全局控制（磁力）的影响下单独（电子）控制一个量子比特，而且如前所述，相干时间大大延长，适合于量子计算。

“我们已经展示了一种简单而优雅的方式来同时控制所有的量子比特，而且还带有更好的性能，SMART协议将是全面量子计算机的一条潜在路径。”

SMART协议对相干时间的改进。(a)SMART(cos)协议拉姆齐（Ramsey）实验，其中全局调制的周期是变化的，显示存在最佳调制条件。自旋被初始化为||𝑦-𝜌⟩，并在等待时间𝑡wait后用微波方波脉冲投射到||↑|⟩轴。在等待时间0.6ms时，MW输出功率的波动使数据失真。数据是用300次自旋射击重复三次后得到的。(b)将提取的衰减率（黑线）与二阶贝塞尔（Bessel）函数的绝对值（红线）进行拟合。(c)对应于前四个二阶贝塞尔根的空间曲线。(d)-(f)无修饰（100次，6次重复）、修饰（300次，2次重复）和SMART协议[从(a)中提取的𝑇mod=24.28 μs]量子比特衰减时间的比较（左栏），以及各自的微波脉冲序列（右栏）。

Hansen说：“我们的下一个目标是，在实验论文中用一个量子比特展示了概念证明之后，用两个量子比特的计算来展示这个工作。”

“在那之后，我们想证明我们也可以对少数几个量子比特做这件事，以表明该理论在实践中的应用。”

参考文献：

[1]https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0096467

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9158

[3]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.235411

[4]https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.104.062415

[5]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/longest-time-quantum-computing-engineers-set-new-standard-silicon-chip-performance

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