普林斯頓新型量子比特或使谷歌量子處理器性能提升千倍

假設的千比特量子計算機性能或比當今最強量子計算機高出約十億倍。

普林斯頓大學的研究人員構建了一種新型超導量子比特，其相干時間比先前實驗室報道的結果延長了三倍。谷歌和IBM同樣采用了transmon量子比特的底層技術。然而，根據普林斯頓大學的消息，該校研發的量子比特相干時間比這些科技巨頭的產品優秀15倍。

量子計算機被視為下一代計算的"圣杯"，有望解決傳統計算機無法處理的復雜計算。該領域的近期進展已促使多家公司推動量子技術的商業化應用。然而，在量子計算成為主流之前，仍有許多未解難題亟待攻克。其中之一便是量子比特本身的壽命問題——即"相干時間"，它定義了量子比特在失效前能保持信息的時間。

當量子比特失效時，它便無法繼續用于復雜計算，且信息丟失可能導致錯誤，進一步增加量子計算的復雜性。普林斯頓新研發的量子比特正致力于解決量子計算研究中的這一核心問題。

如何制造新型量子比特？

Transmon量子比特是量子研究中采用的另一種量子比特類型，需在極低溫環境下運行。谷歌和IBM等公司采用transmon量子比特的原因之一，是其對干擾的高耐受性和易于制造的特性。然而，研究表明提升這類量子比特的相干時間極為困難，主要瓶頸在于制造材料質量。因此，由納塔莉·德·萊昂和安德魯·霍克領導的普林斯頓研究團隊嘗試通過改變材料尋求突破。

在該校化學家羅伯特·卡瓦的協助下，團隊選用稀土元素鉭構建量子電路。鉭具備極強的穩定性，能承受制造過程中最嚴苛的清潔工藝以消除污染。

創紀錄的性能表現

雖然藍寶石基板上制造的電路已顯示出相干時間的提升，但研究團隊發現藍寶石基板會導致較高的能量損耗，遂決定改用現代計算制造中常用的高純度硅基板。在硅基板上制造量子比特在技術上極具挑戰，但普林斯頓團隊堅持攻關，最終成功克服技術壁壘，研制出相干時間比谷歌和IBM目前產品優秀15倍的transmon量子比特。

霍克指出，若將普林斯頓研發的量子比特直接應用于谷歌當前最強的量子處理器"Willow"，其性能可提升1000倍。值得注意的是，隨著系統規模擴大，這種量子比特的優勢將呈指數級增長。霍克估算，一臺假設的千比特量子計算機的性能可能比當今最強量子計算機高出約十億倍。

"我們已證明在硅基板上實現這一目標是可行的，"德·萊昂表示，"通過闡明關鍵步驟以及實現長相干時間所需的重要基礎特性，現在任何從事規模化處理器研發的團隊都能更輕松地采用這項技術。"

該研究成果已發表于《自然》期刊。

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