量子計算機再次突破，新型量子位穩定性獲得10倍提升

量子計算機（Quantum Computer）號稱是「21世紀的太空競賽」，是一場劃時代的科學革命。量子計算機具有強大的計算能力，可以解決傳統計算機難以或者不能解決的問題，例如，設計複雜藥物和先進材料、大型資料庫搜索等。

目前，量子計算機的最大挑戰在於如何最大限度的長時間保留其量子態疊加，因為這將有利於保留更長時的量子信息，從而有助於開發更可靠的超級量子計算機。

高頻振蕩電磁場中的單個硅原子電子自旋。圖片來源：Arne Laucht/UNSW

10月17日，《Nature Nanotechnology》在線發表了澳大利亞新南威爾士大學（簡稱UNSW）最新開發的新型量子位（也稱量子比特）的相關論文。

UNSW量子計算與通訊技術中心（CQC2T）的項目經理安德魯·莫雷羅（Andrea Morello）領導了相關研究，他們利用置於高頻振蕩電磁場下的單個硅原子電子自旋態，獲得了目前為止保留時間最長、最穩定的量子態疊加，其退相時間（dephasing time）為T2ρ*=2.4毫秒，穩定性獲得了10倍的提升。

量子計算機的超強計算速度和能力主要依賴於其可以同時存儲初始狀態的多種量子態疊加，n位量子存儲器的存儲能力是傳統計算機的2n倍。正是基於量子態疊加原理，量子計算機具有巨大數據存儲能力，進而能夠進行高效率的並行計算。

量子位器件的SEM（掃描電子顯微鏡）圖片：紅色代表各種「調頻門」（tuning gates），藍色代表「微波天線」（microwave antenna），黃色代表用於讀出自旋態信息的「單電子晶體管」。圖片來源：GuilhermeTosi& Arne Laucht/UNSW

莫雷羅團隊為此已經進行了長達十年的研究，目前已經能夠通過在靜態磁場中，利用硅晶元單個磷原子的電子自旋態編碼量子信息，建立了目前量子態疊加保留時間最長的固態器件量子位。

這次，該團隊又進一步提高了量子位的穩定性能，提出了新的量子信息編碼方法：新型量子位是由單個硅原子的自旋態組成，該原子處於微波頻率下不斷振蕩的高強電磁場中。當電子與外加磁場耦合後，量子位也被重新定義——量子位的兩個狀態不再簡單是電子的自旋方向，而是相對於耦合磁場的「對稱」與「不對稱」。

結果十分震撼：由於由微波產生的電磁場不斷以高頻振蕩，任何非同頻率的雜訊或擾動的最終凈效應都為零，最終獲得的量子態疊加保留時長整整提升了10倍！具體來說，實驗獲得的退相時間（dephasing time）為T2ρ*=2.4毫秒，相比於標準量子位性能優異10倍，這就使得量子態疊加穩定保留更長時間，從而允許進行更多的計算操作。

論文的第一作者、UNSW電氣工程與通信學院研究員阿爾納·勞赫特（Arne Laucht）說：「新型量子位實現了單個電子的自旋態與高頻振蕩電磁場耦合。耦合後的量子位，相比於單獨的電子自旋，獲得的功能更通用、更穩定，這將有助於開發更可靠的量子計算機。」

墜飾量子位和裸量子位的量子態對比

這種高頻振蕩強電磁場下的單原子的電子自旋耦合成的量子位稱為「綴飾量子位」（dressed qubit），相比於 「未修飾」（undressed）的「裸量子位」，新型量子位能夠提供更多的量子態控制方法。比如，通過簡單地調整微波電磁場的頻率就能控制相應的量子態疊加，就像調頻收音機（FM Radio）一樣。相反，「裸量子位」控制方法則需要調節控制場的開關，就像調幅收音機（AM radio）一樣。

從某種意義上來說，這也是為什麼「綴飾量子位」更不易受到雜訊的干擾：量子信息由頻率控制，而頻率非常可靠；相反，幅值則更容易受到外部雜訊的影響。

另外，Laucht團隊的量子位器件是基於標準硅晶元技術構建的，所以該新型量子位技術有望基於傳統電子計算機的現有製造工藝開發出強大、可靠的量子處理器（quantum processors）。

目前，UNSW與其科研人員、企業以及澳大利亞政府已達成7000萬美元的協議開發原型硅量子集成晶元，作為建造全球首部硅基量子計算機的第一步。而莫雷羅團隊作為硅基量子計算技術的全球領先者，理所當然是其中一員。

量子計算機能夠大幅度提升特定複雜計算任務的速度和效率，在一些重點領域，例如大型資料庫搜索、複雜方程組求解以及原子系統建模如生物分子或藥物分子建模等，量子計算機將遠遠超越當今的傳統計算機。而且，量子計算機在金融、信息技術和醫療保健業等各行各業都有潛在的巨大應用，對於政府、安保以及國防等機構也大有裨益。

量子計算機的最大優勢還在於，它的超強超快計算能力將十分利於新葯開發，通過加速電腦輔助製藥化合物的設計過程來減少費時費力的試錯測試。

此外，量子計算機還能加速開發更輕更強韌的新型材料，廣泛應用於從消費電子到飛行器設計等領域。更不用說，還能為未知領域的探索提供新的計算方法和應用。

參考：A. Laucht, A dressed spin qubit in silicon, Nature Technology 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.178.