新型量子傳感器為超導量子計算機發展開辟了新路徑

莫斯科國立科技大學(NUST MISIS)、俄羅斯量子中心(RQC)、以及德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的一支聯合研究團隊,已經在量子優勢研究方面取得了重大的進展。由發表在《npj 量子信息》期刊上的研究論文可知,其打造的一款量子傳感器,為量子比特中兩檔能級缺陷的測量和操縱鋪平了道路。

新型量子傳感器為超導量子計算機發展開辟了新路徑

(圖自:Sergey Gnuskov / NUST MISIS)

SCITechDaily 指出,在量子計算中,信息以量子計算進行編碼。在經典的量子力學模擬實驗中,量子比特有着相乾的兩級系統。

當前最主要的量子比特模式,是基於約瑟夫森結(Josephson junction)的超導量子比特,正如我們在 IBM 和谷歌的量子處理器上所見到的那種量子比特。

新型量子傳感器為超導量子計算機發展開辟了新路徑

與此同時,科學家們仍未放棄尋找不受其環境影響、支持精確測量和控制、更加完美的量子比特。

超導量子比特的關鍵,在於納米級的超導體-絕緣體-超導體約瑟夫森結。作為一種隧道結,它由兩片超導金屬製成,並由非常薄的絕緣層(常見為氧化鋁)隔開。

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然而現代技術不允許以 100% 的精度來構建量子比特,結果導致了所謂的隧穿兩級缺陷。這限制了超導量子器件的性能,並且會引起計算錯誤。

確切的說法是,缺陷會導致量子比特的壽命極短或退相干。而氧化鋁和超導體表面的隧穿缺陷,就是超導量子比特中波動和能力損耗的重要來源,最終限制了計算機的運行時間。

新型量子傳感器為超導量子計算機發展開辟了新路徑

研究配圖 – 1:實驗設置與量子比特樣本

研究人員指出,發生的材料缺陷越多,對量子比特的性能掣肘就越大,進而引發更多的計算錯誤。

好消息是,得益於新開發的量子傳感器,其能夠對量子系統中的各個二級缺陷展開測量和操作。

新型量子傳感器為超導量子計算機發展開辟了新路徑

研究配圖 – 2:缺陷光譜

研究合著者,NUST MISIS 超導超材料實驗室負責人、俄羅斯量子中心研究組負責人 Alexey Ustinov 教授表示:「傳感器本身就屬於超導量子比特,能夠對單個缺陷進行檢測和處理」。

盡管此前也有研究材料結構的傳統技術,例如小角度 X 射線散射(SAXS),但其缺點是不夠靈敏、難以發現微小的單個缺陷,因而基於傳統技術的方案無助於構建最佳的量子比特。

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研究配圖 – 3:樣品電介質中的 TLS 相互影響

展望未來,研究人員希望這項技術能夠為量子材料的隧道缺陷結構、以及低損耗電介質的光譜學研究開辟新的途徑。因為超導量子計算機的發展,迫切需要這種低損耗的電介質。

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《npj Quantum Information》期刊上,原標題為《Quantum sensors for microscopic tunneling systems》。

來源:cnBeta