开云官方体育app 普林斯顿大学突破性量子比特的问世或将最终使量子计算实用化
普林斯顿大学
普林斯顿大学的工程师们利用一种新型钽硅结构设计，显著降低了能量损耗，从而延长了量子比特的寿命。这项改进有望实现能够解决实际问题的大型、稳定的量子处理器。
普林斯顿大学的工程师们在开发实用量子计算机方面迈出了重要一步，他们创造出了一种超导量子比特，其稳定性是目前最强版本的三倍。
“真正的挑战，也是我们今天无法拥有实用量子计算机的原因，在于你构建了一个量子比特，但信息却无法长时间保存，”普林斯顿大学工程学院院长、联邦政府资助的国家量子研究中心负责人、该论文的共同首席研究员安德鲁·霍克说。“这将是下一个重大飞跃。”
这项突破性成果发表在11月5日的《自然》杂志上。研究团队报告称，他们研制的量子比特能够保持相干状态超过1毫秒。这是迄今为止实验室测试中实现的最长寿命，比商用处理器中常用的量子比特寿命提高了近15倍。为了验证这一改进，研究人员利用新设计构建了一个可运行的量子芯片，克服了阻碍可靠纠错和大规模量子系统发展的主要瓶颈之一。
该团队解释说，他们的量子比特采用了一种与谷歌和IBM开发的系统类似的架构，因此可以兼容现有的处理器设计。侯克表示，用普林斯顿大学的组件替换谷歌Willow处理器的部分组件，可以使其运行效率提高1000倍。他还补充说，随着量子比特数量的增加，这种新方法的优势会更快地显现出来，从而在更大的系统中产生更大的整体影响。
即插即用设计，兼容谷歌和IBM系统
量子计算机有望应对传统计算机无法解决的挑战，但目前的设备距离实现这一目标还很遥远。其中一个最大的限制因素来自量子比特本身，它通常会在完成有意义的计算之前丢失信息。
提高相干时间，也就是量子比特维持其量子态的时间，是取得进展的关键要求。普林斯顿量子比特所展现的改进是十多年来相干时间提升幅度最大的一次。
为什么量子比特相干性是量子计算的最大障碍
许多研究团队正在探索不同的量子比特设计方法，但普林斯顿大学的器件基于一种名为超导量子比特（transmon qubit）的成熟方案。这种量子比特也被谷歌和IBM等公司采用，它依赖于在极低温下运行的超导电路。超导量子比特能够有效抵御环境噪声，并且与现有的制造工艺完美兼容。
然而，提高超导量子比特的相干时间一直极其困难。谷歌最近的研究表明，其最先进的处理器目前取得的进展主要受限于用于构建量子比特的材料质量。
Transmon量子比特：优势、劣势以及谷歌的物质限制
普林斯顿大学的研究团队采取了双管齐下的方法来重新设计量子比特。首先，他们使用了一种名为钽的金属来帮助脆弱的电路保存能量。其次，他们用计算机行业的标准材料——高质量硅——取代了传统的蓝宝石衬底。为了在硅上直接生长钽，研究团队必须克服与材料固有特性相关的诸多技术挑战。但最终他们成功克服了这些挑战，释放了这种组合的巨大潜力。
普林斯顿大学量子计划联合主任、新型量子比特的联合首席研究员娜塔莉·德·莱昂表示，他们研发的钽硅芯片不仅性能优于现有设计，而且更容易大规模生产。“我们的成果真正推动了现有技术的进步，”她说。
谷歌量子人工智能硬件首席科学家米歇尔·德沃雷特（Michel Devoret）表示，延长量子计算电路寿命的挑战已经成为许多物理学家“束手无策”的难题。谷歌量子人工智能为这项研究提供了部分资金。德沃雷特是2025年诺贝尔物理学奖的获得者，开云官方体育app他说道：“娜塔莉真的很有勇气去尝试这个策略，并且最终成功了。”
这项研究主要由美国能源部国家量子信息科学研究中心和量子优势协同设计中心（C2QA）资助——侯克曾于2021年至2025年担任该中心主任，目前是该中心的首席科学家。论文的共同第一作者是博士后研究员法拉纳克·巴赫拉米和研究生马修·P·布兰德。
钽如何降低能量损耗和错误率
安东尼·李（Anthony HP Lee）79届P11 P14电气与计算机工程教授侯克（Houck）表示，量子计算机的性能取决于两个因素。首先是串联起来的量子比特总数。其次是每个量子比特在出错之前可以执行多少次操作。这篇新论文通过提高单个量子比特的质量，在这两个方面都取得了进展。具体来说，更持久的量子比特有助于解决业界最大的难题：扩展性和纠错。
这些量子比特最常见的误差来源是能量损耗。金属中微小的、隐藏的表面缺陷会在能量通过电路时捕获并吸收能量。这会导致量子比特在计算过程中快速损失能量，从而引入误差，并且随着芯片上量子比特数量的增加，误差会成倍增长。钽的这类缺陷通常比铝等更常用的金属要少。误差越少，工程师就越容易纠正已经出现的误差。
追踪隐藏缺陷和基板损耗
侯克和德莱昂（电气与计算机工程系副教授）于2021年首次将钽应用于超导芯片，他们与普林斯顿大学化学家罗伯特·卡瓦（罗素·韦尔曼·摩尔化学教授）合作。尽管卡瓦并非量子计算领域的专家，但他几年前曾听过德莱昂的一次演讲，深受启发，两人由此展开了关于量子比特材料的持续讨论。最终，卡瓦指出钽的优势更多，劣势更少。“然后她就付诸实践了，”卡瓦指的是德莱昂和她的团队，“这才是最令人惊叹的地方。”
来自三个实验室的研究人员遵循卡瓦的直觉，在蓝宝石衬底上构建了一个超导钽电路。该设计显著提升了相干时间，与世界纪录相符。
从蓝宝石到硅：量子比特制造的重大飞跃
钽的主要优势在于其极高的稳定性，能够承受制造过程中去除污染物所需的严苛清洗条件。“即使将钽放入酸中，其性能也不会改变，”该论文的共同第一作者巴赫拉米说道。
去除污染物后，研究团队找到了测量其他能量损失来源的方法。剩余的大部分能量损失来自蓝宝石衬底。他们用硅代替了蓝宝石，硅是一种储量丰富且纯度极高的材料。
将这两种材料结合起来，同时改进制造和测量技术，实现了超导量子比特历史上最大的单项改进之一。侯克称这项工作是“实现实用量子计算道路上的一项重大突破”。
由于改进效果会随着系统规模呈指数级增长，Houck 表示，用普林斯顿大学的设计取代目前业界最佳设计，将使一台假想的 1000 量子比特计算机的性能提高约 10 亿倍。
迈向规模化量子系统十亿倍改进
这项研究汇集了量子器件设计和材料科学领域的深厚专业知识。Houck的研究团队专注于构建和优化超导电路；de Leon的实验室则专注于量子计量学以及支撑量子比特性能的材料和制造工艺；Cava的研究团队在超导材料领域深耕三十年，始终处于研究前沿。他们的专业知识相结合，取得了单凭任何单一团队都无法实现的成果。这些成果如今已引起业界的广泛关注。
谷歌科学家、同时也是加州大学圣巴巴拉分校物理学教授的德沃雷特表示，大学与产业界的合作对于推进技术前沿至关重要。“产业界和学术研究之间存在着相当和谐的关系，”他说道。大学实验室能够专注于限制量子计算机性能的基础性问题，而产业界则负责将这些成果扩展到大规模系统中。
产学研合作加速量子创新
德莱昂说：“我们已经证明，在硅芯片上这是可行的。我们已经展示了关键步骤以及实现这种相干时间的关键底层特性，这使得任何从事小型化处理器研发的人都很容易采用这些技术。”
备案号: