近日，在中关村论坛上海说神聊京量子信息科学研究院发布了最新当作果长命命超导量子比特芯片，当作功使超导量子比特退相关时候达到503微秒，缔造了新的宿世界记载。有趣的是，因为该当作果题目中写着“长命命”，一些公家饶有乐趣地上前扣问，觉得可以经由过程量子手艺延年益寿。量子比特的“寿命”即量子退相关时候，如何连结量子相关性是今朝研制量子计较机的关头问题之一，国际竞争激烈。本文用通俗的说话介绍超导量子比特，以及与“寿命”相关的问题。我们应该领会，在量子计较根本研究和工程化方面，仍有很长的路要走。
撰文 | 无邪
近日，2021中关村论坛上发布了一项当作果，其名曰“长命命超导量子比特芯片”。这个当作果将超导量子比特的寿命晋升到了500微秒以上，当作为今朝国际上经同业承认的最高记实。（当数据在arXiv上公开的同时，IBM的量子计较负责人Gambetta也在推特上发了一张图，显示它们的量子比特寿命已经达到了1毫秒以上。以IBM及其量子计较团队的诺言，这个数据应该是真实的，不外此后他们再也没有发布任何细节和更多的数据。由此可见，推特不仅能治国。）
图1. 2021年度中关村论坛，长命命超导量子比特芯片作为重大当作果之一发布
该当作果在论坛（科博会）上展出的时辰，引起了良多媒体和公家的存眷。时代我们发现一个很有意思的工作，不少老年人上前来问：这个当作果真的能耽误寿命吗？这个问题真真是欠好回覆，让这些满怀但愿的白叟掉望而归，心有不忍，但真的不克不及误导他们啊！有鉴于不少人将存眷点放到了“长命命”上，我感觉有需要诠释一下：量子比特的寿命，和人的寿命，简直是两回事。想延年益寿，迷恋人世的夸姣，或许是人入晚年的一个遍及心态。其实有良多科学家在尽力霸占这些难关，但真的不是我们这些做量子手艺的人所能解决的，还请长辈们移步生物学、医学和健康相关的展区，或许他们能给出更对劲的回覆。当然，也趁便要提醒一下长命心切的长辈们，以科学之立场审阅科学，切勿被念头不纯的敛财市侩所操纵，被伪科学所忽悠。
超导量子比特：构建于宏不雅量子态之上的量子比特
我在《返朴》的上一篇文章《当量子计较赶上超导：一场斑斓的相逢》中，谈到过采用超导器件来构建量子比特的奇奥之处。建造一台壮大的量子计较机，注定是一场史诗级的科技大冒险，它必将是人类伟大摸索精力的最美注脚之一。二十年之后人们再往返顾这场过程时，或唏嘘一场，或惊心动魄，无论如何，作为此中的亲历者，其心里必然别有一番滋味。也许等我退休之后（若是我能熬到那天的话），我会写一本回忆录，应该会很有意思。
在这场远征中，今朝已经有好几支步队冲锋在前，别的还有些步队束装待发。且不去想最终哪支步队能登顶摘取“圣杯”，仅就今朝的成长形势和近期趋向来看，超导量子计较无疑是走在最前面的。作为一种固态量子器件，其最大的特点是可设计（我一向找不到一个出格贴切的词来表述“engineering”的精确意思，姑且用设计吧）、易耦合。
这两个特点都是与天然原子或其他天然粒子相反的。以原子为例，它的内部布局是固定的，几乎不成能去报酬地“塑造”它们，是以它们往往长短常不变的。除了那些具有放射性的元素以外，绝大部门原子几乎是亘古不变的，存在于我们身体里的原子，或许在一亿年前存在于某条恐龙的身体里。这些特点让天然原子自然地具有很长的“寿命”，而与之相对的，就是它们很难耦合。借使倘使我们站在一个原子的视角看这个宿世界，正如同我们站在地球上看浩淼的宇宙——一个星球悬浮在那边，孤傲而斑斓。偶然有个体天外之物惠临，也刹时化作流星，消逝无踪。对于一个如斯不变的量子系统，您会发现，它看上去很美，您却一筹莫展（难以操控和测量）！这简直是我们在面临天然原子时所面对的困境，直到21宿世纪腔量子电动力学（Cavity QED）的成长，才终于找到操控和测量单个原子中量子态的手段，为此两位科学家Serge Haroche和David J. Wineland共享了2012年诺贝尔物理学奖，以表扬他们“冲破性的尝试方式，使测量和操作单个量子系统当作为可能。”
超导量子比特则正好相反，它是经由过程对超导“宏不雅量子态”进行再约束而形当作的超邃密能级。在《当量子计较赶上超导：一场斑斓的相逢》中我对此做了一些论述，这里可以再弥补一点，说得更形象一点。
在微不雅宿世界里，一个或少数几个原子、电子等，它们在岁月静好中，天然是处于量子态并受量子力学所支配的。我们暂且将原子比方当作一小我，不雅察单个的原子，就如同在一个玻璃罩中不雅察一小我那样，此时我们发现这小我居然是“量子”的。但当大量这样的粒子在一路，同时存在必然的彼此感化时，量子性就会敏捷消逝，进入“宏不雅宿世界”，行为就酿成了经典的。就像我们站在高台上看广场中的人头攒动，此时我们已很难分辩或追踪某小我的具体行为和踪迹了。我们看到和感触感染到的，只能是一些总体的行为，好比人群标的目的哪里堆积，标的目的哪里流动等。我们日常见到的物体，内部的原子数在10^23量级，想象一下我们不雅赏万万亿亿小我的集体时会看到什么？可以必定的是，此时我们不成能再分辩出某一小我在干什么了。
图2. 寻找维尼？在一个自由度（广场中的每个人，可以算作是一个“自由度”）很是多的群体傍边，我们不再可能去存眷小我行为，而只能看到集体行为。
但若是我们将所有的人练习当作一支戎行，环境就有所分歧了。当国庆阅兵时，一个个方阵走过天安门，所有兵士的动作、喊声，整洁齐截，此时人群的集体行为和此中任何一个“小我”的行为是一致的。假如小我行为是“量子”的，那么可以想象，这支戎行的行为也就是量子的。宏不雅量子态，就是这样一支戎行。今朝我们人类已经找到了好几种这样的“宏不雅量子态”，包罗玻色-爱因斯坦凝集态（BEC），以及超导态等。毛本家儿席说得好，连合就是力量，在这种整洁齐截的“量子戎行”中，各类量子效应会获得放大，就如同阅兵方阵喊出的“为人民办事！”，震天价响。这就诠释了为什么超导量子比特这种基于宏不雅量子态的比特易于耦合（彼此感化）——尽管与任何单个粒子的耦合很是微弱，但大量行为不异的粒子集体来看，耦合就会变得很是强。
图3. 阅兵场上的景象就有所分歧：所有的兵士整洁齐截，形统一人。在这种系统中，“集体自由度”与“个别自由度”某种水平上是一致的。
量子比特的“寿命”：它们有本身的“时钟”
任何事物都是辩证同一的，量子态并不克不及区额外部的彼此感化是来自于我们报酬的操控，仍是其他莫名其妙的来历。是以，集团军模式的宏不雅量子态简直能增强与外界的彼此感化，让操控、耦合和读出都变得更轻易，但它也更轻易受到外界干扰。
物理上，我们将这些不成控、不成知的自由度通通称为噪声。在固体中，一个量子态面对的情况要比单个原子中某个量子态所面对的复杂得多。原子、电子的随机活动，空间中各类电磁波，甚至宇宙射线，城市与我们精心制备的量子态发生感化，从而“偷走”此中的信息，并敏捷消逝在茫茫人海中。因为计较素质上是一种信息处置过程，是以，信息的丢掉天然就对应着计较错误。
此刻，我们终于将本家儿题拉回到“寿命”上来了。上面提到的信息丢掉，通俗点来说就半斤八两于这个量子态寿终正寝了，于是我们就称一个量子比特连结信息不丢掉的时候为它的“寿命”。因为噪声以及量子过程内涵的随机性，这个所谓“寿命”现实上是一个统计上的特征时候，物理上我们称为“退相关时候（decoherence time）”。所有量子计较的操控动作，原则上应该在远小于这个时候内完当作，以避免错误的发生。这恰是建造量子计较机的“Divincenzo准则”之一（拜见《当量子计较赶上超导：一场斑斓的相逢》）。
与其他量子比特比拟，超导量子比特的寿命很是短（其原因在前面讲过了）。今朝的典型值大约在10-100微秒量级。这个时候，比我们眨一下眼睛所用的时候都短得多，若是用我们人的时钟来看，这个寿命的确何足道哉。但我们应该站在量子比特的角度去看，不是吗？
图4. 《星际穿越》中，飞船接近黑洞时，时钟变得很是迟缓：飞船上1小时，人世已过7年！同样的时候，分歧的“滴答”，体验差别是庞大的。
对于超导量子比特而言，做一次量子门操作的时候大约在10-100纳秒量级，为此我们可以将这个门操作的时候看作量子比特的一个“滴答”（tick-tock）。假如一个量子比特的寿命为100微秒，它的一个“滴答”是50纳秒，那它将在2000个“滴答”之后“驾鹤西去”，而这就是这个比特所能进行的运算的极限。若是将量子比特的“滴答”等效当作我们人的“滴答”的话，量子比特能活半个小时呢！
海说神聊京量子信息科学研究院经由过程材料和微纳加工工艺方面的立异，将这个“寿命”耽误到了503微秒，用上面的例如来说，它能活近3个小时。假如您只有半小时的寿命，生怕仅够为来生许几个愿望，但若是您有3个小时，您甚至来得及赶回家为家人做顿饭然后一路享用这顿美食。是不是很喷鼻？
可见权衡一个量子比特的寿命，不克不及光看绝对时候。正如前面所阐述的，真正有用的寿命，还需要连系一个“滴答”到底多长来权衡。以别的一种类型的量子比特——核磁共振量子比特为例，它的退相关时候一般在1秒摆布，而做一次门操作的时候为1-10毫秒。按照上面的等师法，它大约只半斤八两于人的2到20分钟——尽管它的绝对寿命要比超导量子比拿手上万倍。如何把一个“滴答”做得更短，让量子门做得更快更准，是别的一个需要冲破的手艺挑战，在这里临时不睁开来讲。我也许会在后续的篇章中作为专题写一下，敬请等候哦。
数目VS寿命
因为量子比特操控错误本家儿要来历于“退相关错误”，而退相关错误对寿命是指数依靠关系，是以寿命的耽误无疑对操控精度的晋升有很大的帮忙。寿命一向是超导量子比特的短板，第一个超导量子比特做出来的时辰，寿命只有不到3纳秒（那仍是估量的，不是精确测量的）。所以超导量子计较研究的前期和中期，如何提高量子比特寿命是一个焦点本家儿题，甚至是评价一种量子比特形态（超导量子比特也有良多种形态）是否有前景的本家儿要指标。现在，本家儿流的超导量子比特寿命已经达到了100微秒的量级，与其降生之初比拟，晋升了5个数目级，其成长速度竟近似摩尔定律！凯文·凯利（Kevin Kelly）在他经典的著作《掉控》中，曾描述过手艺成长的纪律，近似摩尔定律的指数成长律在良多范畴的某阶段都发生过，而指数的类摩尔定律成长，也是一项手艺成长最具活力的象征。
图5. 超导量子比特寿命成长的“摩尔定律”
自transmon量子比特（全称为“传输线旁路的等离子体振荡量子比特”，所以仍是用transmon比力合适）及电路量子电动力学（Circuit-QED）成长起来之后，超导量子计较的成长重心逐渐标的目的规模化转移。人们越来越等候比特数增添之后所带来的古迹，谷歌“量子霸权”（quantum superamacy，此刻大师不喜好这个词，更倾标的目的于用“量子优势”quatum advantage）的演示，将这一趋向推标的目的了飞腾。比特数增添带来的工程化挑战，天然是让良多研究者热血彭湃，但业界迟早，或已经在反思：今朝的量子比特寿命真的够了吗？若是制造出的是一大堆布满噪声的比特，多了真的能出古迹吗？我相信真正熟悉并但愿造出适用量子计较机的人们心中会有谜底。我的谜底是：若是不持续晋升量子比特这一根基单位的机能，包罗寿命和门操控保真度（扣除错误率之后的精确率就是保真度），超导量子计较的规模化之路走不远。材料发展、概况界面处置、微纳加工工艺等，这些根本科学手艺若是冲破，有可能为规模化带来质的飞跃。但这是一条布满艰辛的道路。
量子纠错——“谍海战术”
降低错误率，晋升比特寿命和操控保真度，还有一个路子。我曾经在《返朴》上标的目的读者保举了Adrian Cho的文章《量子计较的下一个超等大挑战》，具体阐述了这一路子——量子纠错。量子纠错的本家儿要思惟是将量子态编码到一个更大的空间中去，以晋升量子态的抗噪能力。打个例如说，原本我们是将信息交给一个谍报员保管。谍战邪恶，四周处处都埋没着各路黑客，他们会不竭进犯我们的谍报员，窃走或粉碎他手里的谍报。哪怕是最顶尖的谍报员，也只能庇护手里的谍报几个小时，蹩脚的分分钟就被盗走了。这个问题很伤脑子，再这么下去谍报工作没法做了！终于，谍报局想出了一个新法子：他派出更多的谍报员，每个人手里拿着一份信息的拷贝，他们按期会查对手里的谍报，一旦某个或某几小我的谍报犯错了就尽快改正他们。这样一来，只要我派出的谍报员足够多，他们查对信息的频率足够快，无论黑客怎么进犯，他们也能连结信息的无缺。至此，完美解决了谍报丢掉的问题。这个比方也许不那么得当，因为它没考虑黑客们拿走谍报之后会用来干什么坏事，或许这些黑客仅仅就是一帮恶趣味，以搞粉碎为荣。
早期提出的量子纠错算法更像是一个数学玩具，因为他们对每个谍报官的本质要求太高了，即便我们今朝最顶尖的奸细也做不到。直到Kitaev提出了拓扑编码方式，后经改良之后，演酿成了所谓的“概况编码”。这种纠错码大大降低了对谍报员自身本质的要求，我们今朝的手艺就可以或许造出来了，价格就是需要更多的奸细，称得上是“谍海战术”：以现有手艺程度估量，构建出一个“永不用逝的量子波”，需要3000+个这样的谍报员！好在我们至少看到了但愿。
图6. 概况编码：今朝最具适用性的量子纠错码。图（a）中的空心圆点为数据比特，实心（黑）圆点为纠错比特。经由过程必然的形式将信息编码到数据比特中，然后将数据比特与纠错比特〔以（b）和（c）中的形式〕纠缠起来并对纠错比特做测量，可以在不粉碎数据比特信息的环境下，追踪它们是否发生错误，不竭反复这样的过程，就可以或许持续的批改错误。
尽管概况编码对物理比特征能的要求大幅降低了，但依旧布满了挑战性。到今朝为止，尚未有任何团队在哪怕最简单的“Surface-17”（包含9个数据比特和8个纠错比特）编码布局中实现了真正的纠错，即冲破错误率盈亏均衡点。将来要想在这方面取得冲破，同样依靠于物理比特征能的晋升，而此中最关头的指标之一，依然是寿命。这是一条更艰辛的道路。
至此，我国在单个超导量子比特寿命上的冲破，其意义就不问可知了。但这远远不是远征的终点，甚至立足点都不算，毫不值得沾沾自喜。如何将这些手艺推广到包含更多量子比特的芯片中去，如何以此为根本进一步晋升量子门操控的保真度，将是接下来更为主要的挑战。
