量子计算机与新型传感器,新型量子传感器为超导量子计算机发展开辟了新路径...

(图自：Sergey Gnuskov / NUST MISIS)

SCITechDaily 指出，在量子计算中，信息以量子计算进行编码。在经典的量子力学模拟实验中，量子比特有着相干的两级系统。

当前最主要的量子比特模式，是基于约瑟夫森结(Josephson junction)的超导量子比特，正如我们在 IBM 和谷歌的量子处理器上所见到的那种量子比特。

与此同时，科学家们仍未放弃寻找不受其环境影响、支持精确测量和控制、更加完美的量子比特。

超导量子比特的关键，在于纳米级的超导体-绝缘体-超导体约瑟夫森结。作为一种隧道结，它由两片超导金属制成，并由非常薄的绝缘层(常见为氧化铝)隔开。

然而现代技术不允许以 100% 的精度来构建量子比特，结果导致了所谓的隧穿两级缺陷。这限制了超导量子器件的性能，并且会引起计算错误。

确切的说法是，缺陷会导致量子比特的寿命极短或退相干。而氧化铝和超导体表面的隧穿缺陷，就是超导量子比特中波动和能力损耗的重要来源，最终限制了计算机的运行时间。

研究配图 - 1：实验设置与量子比特样本

研究人员指出，发生的材料缺陷越多，对量子比特的性能掣肘就越大，进而引发更多的计算错误。

好消息是，得益于新开发的量子传感器，其能够对量子系统中的各个二级缺陷展开测量和操作。

研究配图 - 2：缺陷光谱

研究合著者，NUST MISIS 超导超材料实验室负责人、俄罗斯量子中心研究组负责人 Alexey Ustinov 教授表示：“传感器本身就属于超导量子比特，能够对单个缺陷进行检测和处理”。

尽管此前也有研究材料结构的传统技术，例如小角度 X 射线散射(SAXS)，但其缺点是不够灵敏、难以发现微小的单个缺陷，因而基于传统技术的方案无助于构建最佳的量子比特。

研究配图 - 3：样品电介质中的 TLS 相互影响

展望未来，研究人员希望这项技术能够为量子材料的隧道缺陷结构、以及低损耗电介质的光谱学研究开辟新的途径。因为超导量子计算机的发展，迫切需要这种低损耗的电介质。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《npj Quantum Information》期刊上，原标题为《Quantum sensors for microscopic tunneling systems》。