超導量子比特相干時間紀錄刷新

科技日報記者 張佳欣

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：研製出一種“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。研究人員基於該比特構建了一個完全運行的量子芯片，並驗證了其性能，為實現高效糾錯和系統擴展清除了一大障礙。相關成果5日發表於《自然》雜誌。

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，這種優勢會隨着系統規模擴大而呈指數級增長，意味着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温下運行的超導電路，具有抗干擾性強、易與現有電子製造兼容等優勢。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於材料質量。

為此，團隊採用了“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定性與計算精度；硅則是成熟的半導體材料，能提高製造一致性且便於規模化生產。

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，而與硅結合後性能更進一步，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於兩個核心因素：系統中量子比特的總數量，每個比特在出錯前能執行的運算次數。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。