一毫秒听起来可能微不足道，但对一个量子比特（qubit）而言，却如同永恒。这或将使量子计算变得远为可靠。

芬兰的一个研究团队在量子比特（qubit）保持其信息的时间长度上，创下了一项新的世界纪录。

他们成功地将超导传输子量子比特（superconducting transmon qubit）的相干时间（coherence time）最佳值提升至整整一毫秒，中位数时间达到半毫秒。这听起来可能很短暂，但在量子计算领域，这却是一个可能改变游戏规则的巨大进步。

更长的相干时间意味着量子比特能运行更多操作，量子计算机在进行计算时，在错误出现前能完成更多计算。

研究作者们指出：“一个高相干性的量子比特将使整个研究界受益，并加速全球在开发基于超导量子技术的量子传感器、量子模拟器和量子计算机方面的努力。”

通向稳定超导量子比特之路

量子比特极其脆弱。它们很容易通过与环境的相互作用而丢失其量子态，这个问题被称为退相干（decoherence）。多年来，世界各地的科学家们一直在努力制造能保持足够长时间稳定以运行复杂计算的量子比特。

此前，许多实验室常用的传输子量子比特所报告的最佳回波相干时间（echo coherence times）最多仅徘徊在0.6毫秒左右。突破这一极限被证明极其困难，因为即使是材料或测量装置中微小的噪声，也可能导致量子态坍缩。

为了克服这一难题，芬兰阿尔托大学（Aalto University）的研究人员设计并制造了一种具有异常高相干性的新型传输子量子比特。他们使用了超洁净的超导薄膜，并在高度受控的无尘室环境中制造了芯片。

他们利用电子束光刻技术（一种在芯片上绘制微小图案的技术）仔细蚀刻电路，并精确制造了关键的约瑟夫森结（Josephson junctions），这些结如同量子比特的“大脑”。

研究人员还特别关注了氧化和材料纯度，以减少那些通常导致量子比特过早失效的微观缺陷。芯片制造完成后，使用稀释制冷机（dilution refrigerator）将其冷却至接近绝对零度。

这种低温有助于保护脆弱的量子态。为了测量性能，他们使用了一种特殊的放大器来拾取微弱的量子信号，而不引入额外噪声。在芯片上的四个量子比特中，有一个（称为Q2）表现尤为出色。

它展现出的最长相干时间略超过一毫秒，多次测试的中位数时间约为0.5毫秒，比之前报道的大多数设备长得多。更棒的是，这些结果在多次实验中得以复现，证明了该方法的可靠性。

研究作者补充道：“这一结果标志着高相干性超导量子比特发展迈出了重要一步，使传输子量子比特的能量弛豫时间（energy relaxation）和退相位时间（dephasing times）逼近了毫秒大关。”

量子计算的下一步

这是使量子计算机更具实用性的一大步。寿命更长的量子比特在丢失信息前能执行更多操作，这意味着错误更少，对复杂纠错技术的需求也会降低。

然而，将这一成果扩展到大型量子系统仍面临诸多挑战。这是因为要让同一芯片上的许多传输子量子比特都维持毫秒级的相干性，远比让少数几个量子比特工作并实现单个量子比特一毫秒的相干性要复杂得多。

研究人员将如何克服这一难题仍有待观察。目前，为了帮助他人基于他们的工作继续研究，研究人员已公开分享了所有制造细节、设计和测量协议。希望这些努力能让我们离实现更实用的量子技术更近一步。

该研究已发表在《自然·通讯》期刊上。

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