通过调节超导体量子相干性来提高量子计算机性能

  量子相干性是量子计算机发展的关键因素之一，它指的是在系统中保持叠加态和量子干涉的能力。更长的量子相干时间意味着量子比特或量子信息单位可以在更长的时间内保持其量子态，从而使量子计算机具有更大的可扩展性和处理能力，从而可以更快速地进行更复杂的计算。此外，较强的量子相干性可以降低计算错误率，提高计算结果的准确性。因此，提高量子相干时间对量子技术的发展及其在工业和科学领域的广泛应用至关重要。

图一，由强无序弱耦合超导薄膜制成的超级电感元件，它具有高动能电感的特点，可以实现非耗散和低损耗的微波RLC电路，是量子计算电路的一个关键元件。

近期，上海交通大学物理与天文学院博士后范波与导师Antonio Miguel García-García教授，以及来自以色列Technion物理系的博士后Abhisek Samanta共同合作的一项重要研究成果表明，在弱耦合超导体中引入杂质等无序所引起的量子相干效应可以增大电感。他们进一步指出，这种超级电感元件应用于基于超导量子比特的量子计算机中，可以抑制量子涨落，在一定参数区间内提高量子相干时间两个数量级，而电路的品质因数却不会显著降低，即损耗不会显著增加。

图二，左图：随着无序强度的增加，电感呈指数增长。右图：当无序强度较小时，品质因数呈高斯分布。当无序强度接近超导体-绝缘体转变时，品质因数呈长尾分布。

通过自洽求解在有限温下的Bogoliubov-de Gennes方程，并且考虑规范不变的随机相位近似修正，该修正可以描述集体模式激发、热激发和其他涨落行为，这些是导致电路品质因数下降的主要因素。在超导体-绝缘体转变的超导体一侧，研究人员确定了一系列的频率和温度范围，在该条件范围内，量子相干效应导致超级电感的品质因数服从长尾统计分布，且其平均值随无序强度的增加而增大。研究人员认为，这些发现不仅有可能缩小各种与量子计算有关的量子设备的尺寸并提高其效率，而且还与电磁辐射（特别是微波）的探测器及其应用有关。

相关研究成果以“Tuning superinductors by quantum coherence effects for enhancing quantum computing”为题近期发表在《物理评论快报》上。该工作得到了上海市人才计划、国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.047001

来源：凝聚态物理研究所

                              图文编辑：胡泽心

责任编辑：叶丹、朱敏

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