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毫秒级量子比特标志着量子技术的突破
毫秒级超导量子比特取得突破
量子计算机可能会彻底改变我们进行密码学运算的方式，计算复杂的模拟，例如蛋白质的三维结构，而且可能还有许多我们今天几乎无法想象的应用。
为了正常运行，它们需要尽可能稳定的“量子比特”，这是量子计算的基本单元。迄今为止，只有“囚禁离子”量子计算机能够产生高度稳定的量子比特。但与超导量子比特相比，这项技术本质上更难规模化。
因此，虽然超导量子比特可能是这项技术的未来，但仍需要提高其量子比特相干时间的稳定性。
普林斯顿大学一个大型研究团队刚刚取得了这样的成果。他们创造了一种超导量子比特，其相干时间可以超过一毫秒，是迄今为止记录的最佳值的3倍。
他们将研究结果发表在《自然》杂志上。1， 在标题之下 ”二维超导量子比特的毫秒级寿命和相干时间“。
量子比特相干极限
为了进行量子计算，量子计算机需要维持“相干性”，这是一种特殊的量子态，极易受到环境干扰。通常，热噪声和粒子运动会在纳秒级的时间内破坏相干性。
在特殊条件下，例如超低温条件下，量子比特的寿命可以更长。但即便如此，对于目前大多数量子计算机而言，保持足够长的相干性仍然是一个主要限制，这会导致计算误差，不仅会降低整体计算能力，而且也难以通过软件升级来弥补。
因此，确定哪种材料能够更长时间地保持相干性，是量子计算产业进入商业化阶段之前需要迈出的关键一步。
“真正的挑战，也是今天阻碍我们拥有实用量子计算机的原因，是当你构建一个量子比特时，信息却无法保存很长时间。”
这是向前迈出的又一大步。
研究人员如何扩展Transmon量子比特相干性
研究人员使用了与谷歌或IBM等公司在其量子计算机中使用的同类型的超导量子比特。 t兰斯蒙量子比特.
Transmon 量子比特具有高保真度（单量子比特门保真度超过 99.9%）、可大规模生产、相干时间高达 0.1 毫秒等优点。
这很有希望，但相干时间仍然太短。
因此，当普林斯顿大学的研究人员宣布他们成功制造出平均持续时间为 1.68 毫秒的量子比特时，这是一个巨大的进步。
来源: 自然
这个量子比特的持续时间是实验室中迄今为止制造出的最佳量子比特的 3 倍，强度是开发量子计算机的私营公司所使用的量子比特的 15 倍。
为什么钽和硅能提高量子相干性
钽增强相干性
为了达到这一结果，研究人员对所用材料进行了两项不同的改进。
首先，他们使用一种名为钽的金属作为底层，以帮助脆弱的电路保存能量。这是因为金属中微小的、隐藏的表面缺陷可以在能量移动过程中捕获并吸收能量。
随着芯片中量子比特数量的增加，这种错误会成倍增加，以至于超过一定数量后芯片会变得完全无用，问题就更加严重了。
采用扫描透射电子显微镜（STEM）证实了钽立方晶体的高度规则结构。
来源: 自然
与铝等金属相比，钽的缺陷少得多，并且能够很好地抵抗用于去除杂质的苛刻清洗工艺。
“即使把钽放入酸中，它的性质也不会改变。”
在硅上直接生长钽是一项极具挑战性的任务，需要付出巨大的努力才能克服。
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| 量子比特材料 | 基板 | 平均相干时间 | 缺陷密度 | 易于制造 |
|---|---|---|---|---|
| 铝板 | 蓝宝石 | 0.1毫秒 | 高 | 中 |
| 钽 | 高阻硅 | 1.68毫秒 | 低 | 高（半导体兼容） |
硅取代蓝宝石
导致相干性丧失的另一个能量损失来源是量子芯片中使用的蓝宝石衬底。
相反，研究人员使用了高质量（高电阻率）硅，这是传统计算机行业常用的标准材料。
这些改进使得钽硅平台所用材料的改进，使得最终得到的单量子比特门保真度达到 99.994%。
从实验室突破到可扩展量子芯片
研究人员随后利用他们的方法制造出了一个功能齐全的量子芯片，其性能优于以往所有设计。
由于错误率是乘法运算的，这种改进会随着系统规模呈指数级增长。因此，单个量子比特错误率降低 10-15 倍对多量子比特计算机的影响要大得多。
重要的是，这种量子比特并不是一个新奇的概念，而只是使用不同材料的“传统”超导量子比特，因此它们可以很容易地集成到现有的量子计算机中，并被现有的量子计算软件使用。
“将普林斯顿大学的组件替换到谷歌最好的量子处理器 Willow 中，可以使它的性能提高 1,000 倍。”
随着系统规模的增大，普林斯顿量子比特的优势呈指数级增长，因此增加更多量子比特将带来更大的优势。
这意味着普林斯顿大学的设计可以让一台假想的 1,000 量子比特计算机的性能提高约 1 亿倍。
更妙的是，钽和硅的使用意味着制造方法与半导体行业已经使用的方法相符，这使得大规模生产比一项全新的技术更容易实现。
这项研究似乎表明，硅量子芯片， 我们之前讨论过这个问题。这很可能是量子计算产业的正确发展方向。
和...一起 更好的量子光源 混合量子光子芯片和 将量子信息与普通电信数据流一起传输的可能性这些迈向更大规模量子计算机的举措表明，该技术正在迅速走向商业成熟。
投资量子计算创新
1. 字母公司
(GOOGL )
谷歌在量子计算领域非常活跃，主要通过其…… 谷歌量子人工智能实验室和位于圣巴巴拉的量子人工智能园区.
2019年，谷歌的量子计算机“梧桐”（Sycamore）号称实现了“量子霸权”，创造了历史。这台机器在200秒内完成了一项传统超级计算机需要10,000万年才能完成的计算。
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它还公开倡导“欢迎研究人员、工程师和开发人员加入我们的旅程，查看我们的 开源软件 和教育资源，包括我们的 Coursera 上的新课程，开发人员可以在这里学习量子纠错的基本知识，并帮助我们创建可以解决未来问题的算法。=
得益于这种开放的理念，谷歌如今在硬件和云解决方案领域都处于领先地位。谷歌或许是量子计算软件和量子编程标准的制定者之一，这使其在引领该领域未来发展方面占据着有利地位。
与此同时，包括 Waymo 自动驾驶汽车在内的人工智能解决方案可能会成为 Alphabet 的新收入来源，该公司在搜索和广告行业仍然占据着绝对主导地位。
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参考研究：
1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC 等。2D transmon 量子比特的毫秒寿命和相干时间。Nature 647, 343–348 (2025)。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
