独家｜IBM跨越里程碑，量子芯片弛豫时间实现量级优势抵达毫秒时代

通往实用量子计算机道路的一大障碍为维持相干性，以往，相干时间都是以微秒来考量，而从昨天开始，相干时间抵达毫秒时代。

相干时间的显著提升，意味着量子比特可以维持更久的叠加态，同时代表量子计算机可以执行更多操作。简而言之，IBM昨日从微秒到毫秒的突破是具有里程碑意义的，此举是实现可用量子计算机的重大进展与突破。

1. 相干性

在量子计算领域竞争局面如此白热化的现阶段，建成一台有用的量子计算机还是面临着诸多挑战，其中主要包括：可扩展性、控制系统、维持相干性、近期纠错与长期纠错、可扩展的数据输入、设计算法和量子软件堆栈等。

就维持相干性这点来看，相干时间越长，量子计算机可以执行的有效操作越多。但考虑到量子系统对诸如振动、温度变化或电磁波等环境相当敏感，提高相干时间极其困难。

而在进行量子计算实验时，所有的量子操作要在量子退相干之前完成，才能保证量子操作的保真度。

量子比特中相干性的丧失，导致量子比特的叠加态坍缩为经典态。这可能是由于有意测量量子比特，也可能是由于系统中的噪声或故障所导致。

图1｜相干时间的动画描述（来源：Edwards/JQI）

2. transmon量子比特

不仅如此，实现量子计算机的物理架构也颇具挑战。目前，还未确定哪一种制备、操作和测量量子比特的方法最为可靠，但就现有资料来看，超导线路最为热门。

而耦合对象的不同也会产生不同的超导量子比特，对于较为经典的transmon量子比特来说 (之所以说较为经典是因为谷歌声称的“量子霸权”就是基于transmon量子比特实现的)，其耦合方式是通过电容 (capavitively coupled) 直接耦合或是通过谐振腔方式耦合等。

而3D波导腔结构的transmon量子比特，要比2D共面波导结构的transmon量子比特的相干时间更长，几乎提升了一个量级[2]。且仅有在3D腔体系中，通过量子纠错，可以使3D transmon量子比特的相干时间维持在毫秒的量级[3]。

图2｜Transmon qubit（来源：Zlatko Minev）

3. IBM突破毫秒屏障

而就在昨日 (5月20日)，IBM量子计算副总裁Jay Gambetta在推特上发文称：“Breaking through the millisecond barrier with our single-junction transmon (用单结transmon突破毫秒屏障)”

图片中的T1为弛豫时间 (relaxation time)，图中未出现的另一关键指标T2为相干时间 (coherence time)[3]。

图3｜Jay Gambetta发推称突破毫秒屏障（来源：推特）

虽然截止发文时间，除了这一条推文和评论区出现的一些答疑解惑之外，IBM还未对外正式公布这一消息。但从微秒突破到毫秒，实属一项重大里程碑。

量子客试图获取此项里程碑的最新动态，从该条推文下面的一些答疑解惑中窥见一斑。

首先，该超导量子比特并非3D transmon量子比特，而是2D transmon量子比特，属平面结构。

其次，虽然目前只公开了T1的数据，但是Jay Gambetta表示T2相对于T1来说略低。而为了得到更为可靠的数据，需要等IBM将新的程序整合到其部署的设备中。

再来，一些研究人员也关心这种改进后的transmon设计在保真度上是否有所改进。对此，Jay Gambetta的回答是此次的实验基于单量子比特，为了能将其整合到大型设备当中，后续还有更多工作要做。但Jay Gambetta表示很高兴能够突破毫秒屏障，将轴线从微秒转为毫秒。

最后，鉴于此项工作除了此篇文章中收集的信息之外，没有任何官方公开消息。后续，量子客将持续进行最新动态数据分享。

图4｜完整图片（来源：Jay Gambetta）

封面：

IBM/Jay Gambetta

引用：

[1]https://twitter.com/jaygambetta/status/1395347923123245056

[2]http://wulixb.iphy.ac.cn/fileWLXB/journal/article/wlxb/2013/1/PDF/2013-1-010301.pdf

[3]https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/9752/whats-the-difference-between-t1-and-t2

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