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超導(dǎo)量子比特相干時(shí)間紀(jì)錄刷新 相應(yīng)量子芯片能完全運(yùn)行
2025-11-07 16:36:24
來源:科技日?qǐng)?bào)  作者: 張佳欣

量子比特中信息保存時(shí)間太短,一直是阻礙實(shí)用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的最大難題。美國(guó)普林斯頓大學(xué)工程師在這一關(guān)鍵問題上取得重大突破:研制出一種“長(zhǎng)壽”的超導(dǎo)量子比特,“相干時(shí)間”超過1毫秒。這是目前實(shí)驗(yàn)室最佳版本的3倍、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的近15倍,也是十多年來量子比特壽命的最大提升。研究人員基于該比特構(gòu)建了一個(gè)完全運(yùn)行的量子芯片,并驗(yàn)證了其性能,為實(shí)現(xiàn)高效糾錯(cuò)和系統(tǒng)擴(kuò)展清除了一大障礙。相關(guān)成果5日發(fā)表于《自然》雜志。

延長(zhǎng)相干時(shí)間是量子計(jì)算實(shí)用化的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)指出,新比特的結(jié)構(gòu)與谷歌、IBM等公司使用的跨子(transmon)量子比特相似,可直接替換到現(xiàn)有處理器中。理論上,如果將此次研發(fā)的組件替換進(jìn)谷歌最先進(jìn)的量子芯片Willow,其性能將提升約1000倍。更重要的是,這種優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),意味著增加更多比特將帶來更顯著的收益。

跨子量子比特是在極低溫下運(yùn)行的超導(dǎo)電路,具有抗干擾性強(qiáng)、易與現(xiàn)有電子制造兼容等優(yōu)勢(shì)。然而,跨子量子比特的相干時(shí)間長(zhǎng)期難以突破。谷歌的最新研究表明,其量子處理器性能提升的主要瓶頸在于材料質(zhì)量。

為此,團(tuán)隊(duì)采用了“雙管齊下”的策略:一是使用金屬鉭取代常用鋁,以減少能量損失;二是用高純度硅替代傳統(tǒng)藍(lán)寶石基底。能量損失是量子計(jì)算中最主要的誤差來源,而鉭表面缺陷少、能量保持能力更強(qiáng),從而顯著提升量子比特的穩(wěn)定性與計(jì)算精度;硅則是成熟的半導(dǎo)體材料,能提高制造一致性且便于規(guī)模化生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,這一設(shè)計(jì)顯著延長(zhǎng)了量子比特的相干時(shí)間,在藍(lán)寶石基底上就已刷新紀(jì)錄,而與硅結(jié)合后性能更進(jìn)一步,達(dá)到目前世界最高水平。研究團(tuán)隊(duì)指出,量子計(jì)算機(jī)的性能取決于兩個(gè)核心因素:系統(tǒng)中量子比特的總數(shù)量,每個(gè)比特在出錯(cuò)前能執(zhí)行的運(yùn)算次數(shù)。新研究同時(shí)改善了這兩個(gè)方面。

谷歌量子AI首席科學(xué)家、2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主米歇爾·德沃雷評(píng)價(jià)稱,延長(zhǎng)量子電路壽命一直是物理學(xué)家的“靈感折戟之地”,而普林斯頓團(tuán)隊(duì)“讓看似不可能的方案成為現(xiàn)實(shí)”。專家認(rèn)為,這一成果為造出實(shí)用量子計(jì)算機(jī)邁出了關(guān)鍵一步。

編輯:韓夢(mèng)晨
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