更精確的量子計算機！生活在量子世界的邊緣

量子物理學在小範圍內設定了支配宇宙的定律，利用量子現象的能力可能會促使像量子計算機這樣的機器，它們被預測能夠比傳統計算機更快地執行某些計算。構建量子處理器的一個主要問題是實時跟蹤和控制量子系統是一項困難的任務，因為量子系統極其脆弱：不小心操縱這些系統會在最終結果中引入重大錯誤。

阿爾託大學一個研究小組的新研究工作可能會帶來精確的量子計算機。研究人員報告表示：他們在一個定製設計的叫做transmon電路中控制量子現象。將transmon晶元冷卻到絕對零度以上千分之幾的溫度就會產生量子態，晶元的行為就像一個人造原子。研究人員感興趣的量子特性之一是，transmon的能量只能取特定值，即能級。

博科園-科學科普：能量級別就像梯子上的台階：爬梯子的人必須佔據一個台階，不能在兩個台階之間徘徊。同樣，transmon能量只能佔據能級的設定值。在電路上閃爍的微波誘導transmon吸收能量並爬上梯子的梯級。由阿爾託大學應用物理系高級講師Docent Sorin Paraoanu領導的研究小組於2019年2月8日在《科學進展》上發表了他們的研究成果。

以前，這是可能的，只有非常溫和和緩慢的調整微波信號控制設備。在這項新工作中，一個額外的微波控制信號以一種非常特殊的方式形成，允許快速、精確地改變能級。成功地證明，通過不斷修正系統的狀態，可以更快地、高保真地驅動這一過程。

包含transmon器件的超導電路可用於量子態控制。圖片：Dong Lan and Sorin Paraoanu

謝爾蓋·達尼林博士是這篇論文的共同作者之一，他通過「爬梯子」的類比，描述了量子控制——使用類似於transmons的晶元來構建量子計算機的過程。「要得到一個有用的量子系統，需要想像一邊爬梯子一邊拿著一杯水——如果你做得很順利，它就會工作，但如果你做得太快，水就會溢出來，當然，這需要一種特殊的技能。研究人員發現，在量子世界中，快速爬上梯子而不灑出任何水的訣竅是一次小心地跳過兩個梯級。這種能量階梯的捷徑是通過使transmon同時吸收兩個微波光子來實現。自然法則對任何量子能量轉換的速度都有限制，即使有捷徑，這種限制被稱為「量子速度限制」。

令他們高興的是，阿爾託大學的科學家們發現，新方法導致能量水平的變化，其速度接近理論計算的極限。控制量子系統中高速能量傳輸的更廣泛影響也令該團隊興奮不已。量子計算和量子模擬應用具有潛在的高度重要性，它們需要快速和高度準確的操作，如狀態製備和量子門的創建。帛琉阿努博士也看到了其他的機會：我們希望更深入地了解與能量轉移相關的過程，這些過程在自然界和我們周圍的技術中都是普遍存在。例如，電動汽車的電池充電速度有什麼基本限制？在快速發展的量子技術領域，這種新的控制方法可能會有多種應用。

博科園-科學科普｜研究/來自: 阿爾託大學

參考期刊文獻:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aau5999

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