超导量子比特相干时间纪录刷新

科技日报记者 张佳欣

量子比特中信息保存时间太短，一直是阻碍实用量子计算机实现的最大难题。美国普林斯顿大学工程师在这一关键问题上取得重大突破：研制出一种“长寿”的超导量子比特，“相干时间”超过1毫秒。这是目前实验室最佳版本的3倍、业界标准的近15倍，也是十多年来量子比特寿命的最大提升。研究人员基于该比特构建了一个完全运行的量子芯片，并验证了其性能，为实现高效纠错和系统扩展清除了一大障碍。相关成果5日发表于《自然》杂志。

延长相干时间是量子计算实用化的关键。研究团队指出，新比特的结构与谷歌、IBM等公司使用的跨子（transmon）量子比特相似，可直接替换到现有处理器中。理论上，如果将此次研发的组件替换进谷歌最先进的量子芯片Willow，其性能将提升约1000倍。更重要的是，这种优势会随着系统规模扩大而呈指数级增长，意味着增加更多比特将带来更显著的收益。

跨子量子比特是在极低温下运行的超导电路，具有抗干扰性强、易与现有电子制造兼容等优势。然而，跨子量子比特的相干时间长期难以突破。谷歌的最新研究表明，其量子处理器性能提升的主要瓶颈在于材料质量。

为此，团队采用了“双管齐下”的策略：一是使用金属钽取代常用铝，以减少能量损失；二是用高纯度硅替代传统蓝宝石基底。能量损失是量子计算中最主要的误差来源，而钽表面缺陷少、能量保持能力更强，从而显著提升量子比特的稳定性与计算精度；硅则是成熟的半导体材料，能提高制造一致性且便于规模化生产。

实验结果显示，这一设计显著延长了量子比特的相干时间，在蓝宝石基底上就已刷新纪录，而与硅结合后性能更进一步，达到目前世界最高水平。研究团队指出，量子计算机的性能取决于两个核心因素：系统中量子比特的总数量，每个比特在出错前能执行的运算次数。新研究同时改善了这两个方面。

谷歌量子AI首席科学家、2025年诺贝尔物理学奖得主米歇尔·德沃雷评价称，延长量子电路寿命一直是物理学家的“灵感折戟之地”，而普林斯顿团队“让看似不可能的方案成为现实”。专家认为，这一成果为造出实用量子计算机迈出了关键一步。