量子漏洞

量子比特可能在几秒钟内自发衰变

加入我们的科学爱好者社区!

利用量子力学奇异特性的计算机,在解决某些问题(例如破解一种广泛使用的加密方式)时,可能具有远远超过传统计算机的能力。然而,物理学家必须克服一个根本性的障碍,量子计算机才能成为现实:退相干,这是量子计算机所依赖的量子特性的丧失。退相干源于与周围环境的最微小杂散相互作用,因此大多数量子计算机设计都试图将敏感的工作元件与周围环境隔离。

然而,荷兰莱顿大学的杰伦·范·登·布林克和他的同事们认为,即使是完美的隔离也无法阻止退相干。一种称为自发对称破缺的过程会破坏量子计算所需的精细状态。对于一种基于超导量子比特(qubits)的提议设备,他们预测这种新的退相干来源会在短短几秒钟后就使量子比特退化。

量子比特的一个关键特征是它们能够处于所谓的叠加状态;本质上,它们可以同时为0和1,这与标准计算机中必须具有确定值的比特不同。处于叠加状态的量子比特通常处于高度对称状态。例如,在超导量子比特中,一个小电流会同时顺时针和逆时针在一个环路中循环。自发对称破缺会扰乱这种平衡。这个过程发生在整个物理学中——例如,一个放在山顶上的球往往会滚下山的一侧,破坏了球在顶端平衡的对称(如果是不稳定的)状态。在超导环路的情况下,自发对称破缺往往会导致量子比特选择一个确定的状态,从而破坏了叠加。


关于支持科学新闻

如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道: 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。


莱顿研究人员的结果仅适用于由大量粒子组成的量子比特。超导量子比特符合这一要求,因为电流由数十亿电子组成。该结果不适用于基于单个粒子的量子比特,例如悬浮在磁阱中的离子或芯片上量子点中的单个电子。事实上,8月份,美国国家标准与技术研究院的物理学家演示了具有超过10秒相干时间的单离子量子比特。

并非所有人都认为几秒钟的限制是超导量子比特的严重障碍。加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马蒂尼斯表示,一秒钟“对于我们实验人员来说已经足够了,因为我认为其他物理现象会在这个时间尺度之前限制我们。”耶鲁大学的理论家史蒂文·M·吉尔文认为,“如果我们能获得超导量子比特一秒钟的相干时间,那就意味着退相干可能根本不是一个限制。” 吉尔文认为,这是因为一旦相干时间足够长,量子纠错就可以克服退相干。通过运行每批只持续一秒钟的量子比特,量子计算机整体可以无限期地继续工作。

到目前为止,实验室中的超导量子比特在退相干造成影响之前大约持续500纳秒。吉尔文指出,几年前退相干时间只有几纳秒,因此500纳秒“代表了巨大的进步”。

© . All rights reserved.