新型超导腔量子位突破了量子相干性的极限 – 物理世界

在量子计算的历史上，超导量子位的相干时间（即它们保留量子信息的时间）已经大幅改善。一项重大改进来自于将超导量子位放置在三维微波谐振腔内，通过将量子位编码为存储在腔中的光子来保留量子位的状态。

在最近的一项研究中，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员通过展示一种单光子相干时间为 34 毫秒 (ms) 的新型三维空腔量子位设置，突破了该方法的界限。长相干时间是实现低错误量子位操作的关键（从而减少容错所需的硬件），而新的相干时间将之前的记录打破了一个数量级以上。

量子位对其环境高度敏感，很容易因噪声而丢失信息。为了更长时间地保存量子位状态，研究人员转向微波谐振腔作为存储设备的一种形式。顾名思义，这些空腔是三维结构，包括一个中空空间，旨在容纳超导传输量子位芯片和与其相互作用的微波光子。通过涉及应用特定微波脉冲的编码过程，量子位状态被转移到腔状态并存储在那里。一旦期望的时间段过去，状态就可以通过将其编码回传输来检索。因此，空腔在控制和测量放置在其中的量子位方面起着至关重要的作用。

对于量子信息处理的实际应用，腔必须能够长时间存储量子态。然而，由于各种外部因素，实现这一目标并不容易。由于光子是最小的光粒子，因此很难限制，并且很容易丢失。放置在腔内的量子位芯片中的干扰是光子阻尼和退相干的重要来源。在腔表面形成不需要的氧化层会进一步缩短光子寿命。

设计新颖的腔体设计

所领导 塞尔吉·罗森布鲁姆, 法比安·拉丰, 奥菲尔·米鲁尔, 巴凯·古特尔, 尤里·戈德布拉特 和 尼赞·卡恩，魏茨曼 团队 通过设计支持长寿命单光子量子位的低损耗超导铌腔克服了这些挑战。他们使用高纯度铌制造腔体的两个独立部分，然后将这些部分焊接在一起以防止光子泄漏。他们还通过化学抛光腔体去除氧化物和表面污染物。

由此产生的结构看起来有点像一把打开的雨伞，具有半椭圆形的几何形状，演变成伞柄所在的狭窄波导。就像碟形卫星天线一样，其具有可将无线电波反射到其焦点的弯曲表面，腔体的椭圆形结构将电磁场集中在腔体另一半的平坦表面的中心（见图）。

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罗森布鲁姆说，一旦团队准备好腔体，“最大的挑战就是将超导传输量子位集成到腔体中，而不缩短腔体的光子寿命”。 “这让我们回到了量子系统中臭名昭著的平衡行为，一方面是可控性，另一方面是隔离性。”

研究人员通过仅将大约 1 毫米的 transmon 芯片放置在椭圆形腔内，而其余部分则放置在波导内，从而实现了这种平衡。这种配置最大限度地减少了芯片引起的损失。然而，腔体与芯片的有限接触确实削弱了腔体-传输相互作用，因此研究人员通过应用强微波脉冲对腔体中的量子位状态进行编码来补偿这一点。

利用腔体进行量子存储和量子纠错

得益于这种创新的腔体设计，研究人员实现了 25 毫秒的单光子寿命和 34 毫秒的相干时间。与之前最先进的腔体相比，这是一个显着的改进，后者的相干时间约为 2 毫秒。

Rosenblum 及其同事还演示了一种称为玻色子量子纠错的纠错方法，其中量子位的信息被冗余地存储在占据腔的多个光子中（所谓的薛定谔猫态）。通过将其存储在许多而不是少数的腔光子中，可以保留脆弱的量子位状态。缺点是随着存储光子数量的增加，光子损失率也会增加。尽管存在这种限制，魏茨曼团队还是实现了 1024 个光子大小的薛定谔猫态。这相当于平均 256 个光子，比之前的演示多了 10 倍——这是一个显着的进步，可以提高玻色子量子纠错的性能。

由于光子寿命比门操作所需的时间长四个数量级，这一突破为在丢失信息之前控制量子位提供了充足的时间。展望未来，罗森布鲁姆表示，该团队的目标是以前所未有的保真度或成功概率在这些空腔上实现量子操作。值得注意的是，他提到该研究发表后 PRX量子，该团队将单光子寿命延长了一倍多，达到 60 毫秒，这表明进一步进步的巨大潜力。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/