对高相干性超导量子比特的稳健质量因子评估

这对未来量子计算机意味着什么

由超导电路构建的量子计算机已经足够先进，以至于材料中的微小缺陷现在成为限制量子信息寿命的主要因素。本文解决了一个看似基础但却阻碍进展的问题：可靠测量单个量子比特真实质量实际上非常困难。作者提出了简单的电学手段，使这些测量更快、更稳定且更具信息量，为构建更好量子硬件指明了更清晰的路径。

易变的量子比特问题

超导量子比特（简称量子比特）在微妙的电态中存储信息，这些态最终会耗散能量并回到基态。关键指标是这个过程所需的时间，称为弛豫时间，同时与告诉工程师量子比特保存能量能力的“质量因子”密切相关。在最先进的器件中，这个时间已经达到毫秒量级。但有个问题：该时间在数小时到数日内会出现剧烈波动，使得难以判断某种新材料或工艺步骤是否真正带来了改进。这些波动被认为来自于周围材料中无数微小缺陷，它们表现得像简单的开关系统，并随机地与量子比特相互作用。

用温和的推动探测隐藏缺陷

作者利用了这些缺陷的一个关键特性：它们的行为会被电场改变。他们在每个量子比特附近放置一个小的控制电极，与量子比特电气隔离，但能在缺陷常驻的表面上施加电场。通过改变电压，他们将缺陷的能级相对于量子比特轻微移动，从而改变缺陷从量子比特处窃取能量的强度。这样，团队就能有效地“调过”许多微观构型，而这些构型否则只会在漫长且不可预测的时间里偶然出现。

驯服随机性的两种方法

借助这一控制手段，研究者提出了两种互补的测量方案。第一种方案是在弛豫时间实验中施加非常慢、低频的交变电压。随着场来回扫动，邻近的缺陷在记录量子比特衰减时会采样到许多态。结果得到的寿命测量在时间上异常稳定，并作为所有相关微观构型的稳健平均值。第二种方案是重复选择一个随机的静态电压，快速测量量子比特寿命，然后跳到新的随机设置。这种“快速随机”方法揭示了当不同缺陷被调入或调出共振时，量子比特可能具有的寿命的全分布。

看到量子比特性能的全貌

在比较多台器件后，作者发现用慢交变场得到的稳态值与快速随机扫描中寿命的调和平均值相吻合。这表明交变场方法确实捕获了底层的损耗过程分布，同时提供一个干净的数值，工程师可以在不同器件和制程之间进行比较。他们还展示了一个实用的优化流程：通过在电压空间中随机搜索，直到出现较长寿命并保持该设置，他们使一台量子比特的弛豫时间在近三天内保持在一毫秒以上。在另一组实验中，改进的稳定性使他们能够清晰地揭示质量因子随量子比特频率和温度的变化趋势，包括在中等温度下的微弱额外损耗，这些在普通波动中会被掩盖。

这对制造更好计算机意味着什么

对非专业读者而言，主要结论是：作者找到了一种将量子硬件中不稳定、不断变化的特性转化为可靠且快速可测量量的方法。通过使用小电场来重新排列并对微观缺陷的行为进行平均，他们能够用更少的测量或器件来表征一个量子比特“有多好”。这不仅有助于比较不同的制造方法，还为主动选择能让每个量子比特寿命更长的工作条件铺平了道路。随着量子处理器规模的扩大和量子比特的持续改进，这种在测量其性能方面获得的控制与清晰度将对于把实验室演示转变为可靠的量子设备至关重要。

引用: Dane, A., Balakrishnan, K., Wacaser, B. et al. Robust quality factor assessment of high-coherence superconducting qubits. npj Quantum Inf 12, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01199-x

关键词: 超导量子比特, 量子比特相干性, 两能级系统, 量子硬件表征, 电场控制