新型更稳定的量子比特有望让梦想中的量子计算机变得更简单

构建功能完备量子计算机的漫长道路可能因一种新型超导量子比特而缩短。这种新型量子比特能将脆弱的量子态维持1毫秒以上，是此类设备此前最佳水平的3倍。这项上周发表在《自然》杂志上的成果表明，一台成熟的量子计算机可能需要的量子比特数量远少于此前预期。最重要的是，这一进展并非通过重新设计量子比特，而是通过改进制造它的材料实现的。

传统计算机操控的比特只能设为0或1，而量子计算机采用的量子比特可同时处于0和1的叠加态，理论上能解决普通超级计算机难以处理的某些问题。原型量子计算机中的量子比特可由单个原子、离子或光子制成，也可由超导体（一种在极低温度下电流无电阻流动的金属）制成的微型电路构成。

这种超导电路设计有特定频率的电流振荡量子态，就像管风琴能以主音及泛音发声一样，最低频率可作0，次高频率作1，微波可使其处于单一或叠加态。电路必须用超导体，因为任何电阻都会扼杀电流。

超导量子比特量子计算机进展最快（也最受关注）。2019年谷歌称53个超导量子比特芯片实现传统超算无法完成的计算（存在争议），上月又报告在107量子比特Willow芯片上运行更有用算法。但因量子比特易受环境噪声干扰（如谷歌当前芯片量子态仅维持100微秒），主流应用仍遥远。

普林斯顿大学实验物理学家Nathalie de Leon团队研制的超导量子比特量子态维持时间达1毫秒，是谷歌的10倍。de Leon表示，这是2019年启动的识别、量化和消除超导量子比特噪声源工作的最新进展。

噪声源多样且微妙。为防芯片自身辐射随机微波，需在接近绝对零度环境运行。但芯片中多种材料界面易产生电噪声，KU Leuven量子工程师Kristiaan De Greve称：“超导量子比特的局限更多与超导界面有关，而非超导体本身。”

de Leon与普林斯顿同事Andrew Houck、Robert Cava早期发现，多数噪声源于制造后残留在芯片上的溶剂和聚合物碎屑。为去除杂质，他们决定化学蚀刻掉芯片表层原子，这需使用比谷歌等所用铝更坚硬的钽作为超导体。2021年团队报告相干时间达约300微秒的纪录。

当时约三分之二剩余噪声来自电路所用的蓝宝石晶体。近乎完美的晶体也有细微缺陷，使原子群在两种近等能量构型间转换，导致材料轻微电极化并对电磁场敏感。团队寻找缺陷更少的衬底，选定超高纯单晶硅。在该衬底上制造的新型量子比特性能约为旧款的3倍。

他人也曾宣称类似长寿命超导量子比特，但多为一次性“英雄器件”。Martinis（因在电路中演示量子效应获2025年诺贝尔物理学奖）称：“最糟糕的是仅在博客文章中出现。”而这项新研究“数据充足、在足够多器件上实现，确为真正进展”。

在另一质量指标上，普林斯顿团队展示单个量子比特操控及量子态设置可靠性达99.995%，高于谷歌Willow芯片的99.95%。这微小差异意义重大。

为应对噪声，物理学家致力于增强量子比特存储信息的鲁棒性。因测量量子比特会干扰其状态，量子理论禁止复制量子比特状态，故研究人员设想将一个“逻辑量子比特”信息分散到多个物理量子比特上，使整体能维持状态（即便单个物理量子比特模糊需重置）。谷歌已迈出第一步，但这种纠错可能需1000个物理量子比特构成1个逻辑量子比特，谷歌设想的量子计算机需1000个逻辑量子比特和100万个物理量子比特。

然而，若每个物理量子比特状态维持时间更长，逻辑量子比特可由更少物理量子比特编码。de Leon说：“谷歌认为100万个物理量子比特能做些有趣的事，若用我们的量子比特，可能只需10万个。”

这种转变不会一蹴而就。目前超高纯硅晶圆尺寸不足以制造大型芯片，但De Greve称稍低纯度硅或也能实现类似提升。他和AWS研究人员已在开发硅基钽量子比特。

de Leon表示，新型量子比特剩余噪声主要来自芯片暴露于空气后自然形成的氧化层中的原子缺陷。减轻这一问题或使量子比特状态维持时间达10毫秒，进一步将功能完备量子计算机所需超导量子比特数量再减半至5万个。