量子計算工程師為硅芯片性能設(shè)立了新標準。在量子計算的世界里，2ms是一段很長的時間。在這樣的時間尺度上，一眨眼，也就是0.1秒，就相當于永恒。

新南威爾士大學(xué)的研究人員開辟了新天地，證明了“自旋量子比特”是量子計算機的基本信息單元，存儲時間長達2ms。比之前在同一量子處理器中的基準測試要長100倍，這一“相干時間”也是在日益復(fù)雜的計算中可以操縱量子比特的時間。

憑借在理論量子計算方面的工作，Amanda Seedhouse博士為這一成就做出了貢獻。她說：“相干時間越長意味著可以有更多的時間來存儲量子信息，這正是進行量子操作時所需要的。這樣有助于在丟失量子比特中的所有信息之前，按照預(yù)期的任何算法或順序完成所有操作。”

在量子計算中保持運動的自旋越多，在計算過程中就越有可能保留信息。當自旋量子比特停止自旋時，計算就會崩潰，并且每個量子比特所表示的值都會丟失。2016年，新南威爾士大學(xué)的量子工程師通過實驗證實了“擴展相干性”的概念。

挑戰(zhàn)在于，未來的量子計算機如果要解決一些最困難的問題，例如尋找有效的疫苗、模擬天氣系統(tǒng)和預(yù)測氣候變化的影響，就需要跟蹤數(shù)百萬個量子比特。

去年年底，新南威爾士大學(xué)的同一團隊就解決了一個困擾了工程師數(shù)十年的技術(shù)問題，即如何在不產(chǎn)生更多熱量和干擾的情況下操縱數(shù)百萬個量子比特。研究小組沒有添加數(shù)千個微型天線來控制數(shù)百萬個帶有磁波的電子，而是想出了一種方法，通過引入一種稱為“介電諧振器”的晶體，只使用一個天線來控制芯片中的所有量子比特。并將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。

隨著越來越多的量子比特上線執(zhí)行復(fù)雜的計算，當量子比特不僅像傳統(tǒng)的二進制計算機那樣表示1或0，還能同時表示兩者的疊加態(tài)時，空間、熱量和噪聲問題將不可避免地增加。新南威爾士大學(xué)研究小組的方法就解決了這些問題。

然而，這一成就仍然有一些挑戰(zhàn)需要解決。首席研究員Ingvild Hansen與Seedhouse一起解決了這些問題，她們的成果發(fā)表在《物理評論B》、《物理評論A》和《應(yīng)用物理評論》上。

僅用一根天線就能同時控制數(shù)百萬個量子比特是前進的一大步。雖然這是一項了不起的壯舉，但工作中的量子計算機也需要單獨操作它們。如果所有自旋量子比特都以幾乎相同的頻率旋轉(zhuǎn)，它們將具有相同的值。如何單獨控制它們，使它們在計算中表示不同的值呢？

Hansen說道：“首先，從理論上可以證明，我們能通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)的量子比特來改善相干時間。好比一個馬戲團表演者在旋轉(zhuǎn)盤子，只要盤子在旋轉(zhuǎn)，表演就可以繼續(xù)進行。同樣，如果持續(xù)驅(qū)動量子比特，它們的信息就可以保存更長時間。這種“經(jīng)過處理”的量子比特的相干時間超過了230微秒。”

在證明可以通過持續(xù)驅(qū)動量子比特來延長相干時間之后，下一個挑戰(zhàn)是使驅(qū)動方法更加穩(wěn)健，并證明全局控制的電子也可以單獨控制，以便它們可以保存復(fù)雜計算所需的不同值。

這是通過被稱為“SMART”的量子比特協(xié)議實現(xiàn)的：正弦調(diào)制、持續(xù)旋轉(zhuǎn)和定制。他們沒有讓量子比特繞圈旋轉(zhuǎn)，而是像節(jié)拍器一樣操縱它們來回搖擺。然后，將電場單獨應(yīng)用于某個量子比特，使其脫離共振，與其他量子比特的振幅不同，但頻率相同。

Seedhouse說：“把它想象成兩個孩子在蕩秋千，他們幾乎同步前進和后退。如果推動其中一個，就可以讓他們在相對的兩端到達最高點，所以當一個是1狀態(tài)時，另一個可以是0狀態(tài)?！?/p>

這樣在全局控制的情況下，不僅可以單獨控制量子比特，還能顯著延長相干時間，適合量子計算。該團隊的高級研究人員之一Henry Yang博士說：“我們展示了一種以簡單而優(yōu)雅的方式來同時控制所有量子比特，并帶來了更好的性能。而SMART協(xié)議將成為全面普及量子計算機的潛在途徑?！?/p>

該研究團隊由DIraq的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Andrew Dzurak教授領(lǐng)導(dǎo)，DIraq是一家新南威爾士大學(xué)的衍生公司，正在開發(fā)可以使用標準硅芯片制造的量子計算機處理器。

Hansen說：“在我們的實驗論文中，用一個量子比特展示我們的概念驗證后，下一個目標是用兩個及少數(shù)量子比特計算證明這一點，以證明該理論可以應(yīng)用于實踐?！?/p>

文章參考鏈接：

https://scitechdaily.com/100-times-longer-than-previous-benchmarks-a-quantum-breakthrough/

編譯：卉可

編輯：慕一