普林斯頓大學團隊研制的新型量子比特。圖片來源:美國普林斯頓大學??

量子比特中信息保存時間太短,一直是阻礙實用量子計算機實現的最大難題。美國普林斯頓大學工程師在這一關鍵問題上取得重大突破:研制出一種“長壽”的超導量子比特,“相干時間”超過1毫秒。這是目前實驗室最佳版本的3倍、業(yè)界標準的近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建了一個完全運行的量子芯片,并驗證了其性能,為實現高效糾錯和系統(tǒng)擴展清除了一大障礙。相關成果5日發(fā)表于《自然》雜志。

延長相干時間是量子計算實用化的關鍵。研究團隊指出,新比特的結構與谷歌、IBM等公司使用的跨子(transmon)量子比特相似,可直接替換到現有處理器中。理論上,如果將此次研發(fā)的組件替換進谷歌最先進的量子芯片Willow,其性能將提升約1000倍。更重要的是,這種優(yōu)勢會隨著系統(tǒng)規(guī)模擴大而呈指數級增長,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行的超導電路,具有抗干擾性強、易與現有電子制造兼容等優(yōu)勢。然而,跨子量子比特的相干時間長期難以突破。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量。

為此,團隊采用了“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)藍寶石基底。能量損失是量子計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,從而顯著提升量子比特的穩(wěn)定性與計算精度;硅則是成熟的半導體材料,能提高制造一致性且便于規(guī)模化生產。

實驗結果顯示,這一設計顯著延長了量子比特的相干時間,在藍寶石基底上就已刷新紀錄,而與硅結合后性能更進一步,達到目前世界最高水平。研究團隊指出,量子計算機的性能取決于兩個核心因素:系統(tǒng)中量子比特的總數量,每個比特在出錯前能執(zhí)行的運算次數。新研究同時改善了這兩個方面。

谷歌量子AI首席科學家、2025年諾貝爾物理學獎得主米歇爾·德沃雷評價稱,延長量子電路壽命一直是物理學家的“靈感折戟之地”,而普林斯頓團隊“讓看似不可能的方案成為現實”。專家認為,這一成果為造出實用量子計算機邁出了關鍵一步。