一文了解什么是量子比特数及提升难点

一文了解什么是量子比特数及提升难点

量子计算作为当今科技领域的前沿热点，其突破性进展不断引发关注。量子计算机的计算能力与量子比特数密切相关，但提升量子比特数却面临诸多挑战。本文将为您详细解析量子比特的概念、其在量子计算中的重要作用，以及中国科技大学在量子比特读出技术上的最新突破。

近来，有关量子计算的新闻不断刷屏。量子计算机的突破，为我们描绘着更快、更强的未来计算场景。然而，对于大多数人来讲，量子计算机依然是“不明觉厉”的存在。

我们可能会发现，表述量子计算机能力水平的一个重要参数是它的量子比特数。无论是我国66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，还是近日IBM公司宣布制造出的127个量子比特的量子计算机，量子比特都是一个绕不开的概念。那么，究竟什么是量子比特？它为什么在量子计算中“举足轻重”？提高量子比特数的难点又在哪？

什么是量子比特？

量子比特是量子计算机的基本信息单元。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同，量子比特可同时以0和1的状态存在。这种不确定性来源于物理学中的量子叠加：一个量子系统能同时存在于多个分离的量子态中。

想要进一步理解量子叠加，就不得不提及著名量子物理学家薛定谔的那只“既死又活”的猫。

薛定谔的猫其实是一个思想实验。它假定一只猫被关在一个密闭房间内，房间里有一瓶装着剧毒气体的玻璃瓶，瓶上方有一个装有放射性原子的盒子。放射性原子有一定概率发生衰变。盒里还有一个机关侦测放射性原子是否发生衰变。若发生了衰变，机关将控制一个锤子砸碎玻璃瓶，释放出毒气，从而使猫死亡。

但有一个问题出现了：假定关猫的盒子不透明且隔音，不打开盒子的话便无法知道猫的死活。如果问猫是死是活，怎么回答？不打开盒子的话只能推断猫可能是死的，也可能是活的。

因此，现在盒子里关着一只“既死且活”的猫。虽然我们在实际生活中并不会遇到这样的“幽灵猫”，但量子比特却存在相似的情况。量子比特可以同时具有两个或两个以上的多重状态（叠加态），这种现象就是量子叠加。

打破叠加态的方法是测量。例如，我们打开盒子后便知道了猫的生死。因为我们得到了确定的结果（非死即活），叠加态便不复存在，物理描述为叠加态坍缩到某一个量子态。这个打开盒子的过程就是测量。

量子计算机的计算过程便涉及通过测量量子比特，使其量子态坍缩为0或1。这就使得量子计算机与我们日常生活中接触的计算机甚至是超级计算机都有着巨大差别。普通计算机每一比特（byte）仅能存储两种可能状态：非0即1。但量子计算机不同。由于量子叠加，每个量子比特理论上可同时存储0或1这两种状态，这使得量子比特拥有比比特更大的信息存储能力。比如，由于2的8次方等于256，故具有8比特的二进制计算机能表示0到255之间的任一个数字。但具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字。

量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此，它们可以在处理复杂任务时，快速存储大量数据，探索多种可能并选择最有效的解决途径。

量子计算机搭建面临巨大挑战

量子比特的概念虽然抽象，但量子计算机并非虚幻。建造它们的理论基础已搭建好，但是要实现它们，还要面临一项艰巨的挑战。

量子比特本质上是处于叠加态的亚原子粒子，如电子、被束缚的离子或光子。量子比特周围环境的细微变化，比如振动、电场、磁场、宇宙辐射等，都可能向量子比特输入能量，进而使叠加态坍缩，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在极冷、真空环境中以最大程度地避免任何干扰。这就是量子计算机的搭建面临的巨大挑战。

正是由于保持量子比特的叠加态是件非常困难的事，最微小的环境变化也可能导致叠加态的坍缩，造成计算错误。所以，目前世界上还没能造出一台没有误差、且用途广泛的量子计算机。

量子计算机的巨大潜力，还与量子力学中的另一个著名概念“量子纠缠”有关，即各个量子比特可通过量子纠缠联系在一起。

简单而言，当两个量子粒子纠缠在一起时，它们的量子态相同。改变任何一个粒子的量子态的任何属性都将瞬间改变另一个粒子的状态，即便二者相隔千山万水。爱因斯坦将这种无处逃脱的联系称为“幽灵般的超距作用”。

互相纠缠的量子比特不仅能加密即时信息传递，还可让量子计算机的性能呈指数级增长。比如，具有8量子比特的量子计算机可同时表示0到255之间的每个数字，这只是8量子比特独立存在的情况。如果它们互相纠缠起来，或者和其他量子比特纠缠……整个纠缠的系统所能表示的数字将远远超出人们的想象。

而这正是量子计算机无比诱人的魅力所在。尽管量子计算机仍处于起步阶段，但一旦能够大规模应用，其必将掀起一场颠覆性的革命。

中国科大研发新型量子比特读出方法

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在高保真度量子比特读出方面取得重要进展，提出了不同于传统思路的新型自旋电荷转化方法，将“脆弱”的自旋量子态信息转移到“皮实”的电荷状态上，从而实现更高保真度的量子比特读出。

该研究成果以High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion为题，发表在近期的《自然-通讯》上。

量子计算发展到今天，在某些特定问题上已经初步展示了对经典计算机的量子优越性。下一阶段的重要里程碑是可容错量子计算，其前提是量子逻辑门和量子比特读出等环节的保真度超越容错阈值。

在先前工作中，中国科大杜江峰团队基于金刚石氮-空位（NV）色心实现了突破容错阈值的高保真度量子逻辑门[Nat.Commun.6,8748(2015)]，保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录。在本工作中，该团队瞄准了高保真度量子比特读出这一目标。

日常生活中，我们若是一时看不清纸上的字，只需要多看一眼，或者更技术地讲，增加测量时间，就能分辨出字形。这里一个看起来很天然的前提是，无论我们盯着读多久，纸上的字都不会被“读坏”。

在微观世界里，事情就没这么容易了。测量伊始，量子比特首先会发生0+1叠加态的坍缩。所谓读出，就是测量比特到底坍缩到了0态还是1态。

但是量子比特太脆弱，我们通常的读出手段对它们来说还是有些粗暴，哪怕是几个光子打上去都可能造成0和1态之间的翻转，最终造成读出误差。

实现高保真度的量子比特读出，要求测量对系统的扰动尽量微小，在量子比特状态被破坏之前得到高质量信号。

图｜自旋电荷转化原理及逻辑图（来源：中科大新闻网）

共振荧光法被广泛应用于诸多固态自旋体系的量子比特读出，如金刚石色心、量子点和固体中的稀土离子等。

其主要原理如能级图中所示，只有自旋处于0态时会被共振光激发，随后发出荧光信号。但是在实际体系中，普遍存在自旋翻转过程，造成信号还没积累好，量子比特的状态先被“读坏”了，严重限制了读出保真度。

为了抵抗自旋翻转过程带来的误差，通常思路是增强荧光信号，赶在自旋态破坏之前获取足够信噪比，如加工固态浸没透镜、纳米柱、光学微腔等微纳结构。

为了保证器件产率，上述方法需要非常精细的微纳工艺，但是微纳加工经常会引入额外的应变、表面缺陷等，反而引起自旋翻转加速和谱线跳动。

既然自旋态不耐读，能不能把它先替换成皮实、耐读的观测量，再做读出？在本工作里，研究人员从上述思路出发，首先比较了在光读出下电荷态和自旋态的寿命，发现电荷态稳定性比自旋态高5个数量级，在实验中实现了保真度高达99.96%的电荷态非破坏测量。

接着，通过引入红外光（1064 nm）诱导的激发态电离通道，将自旋的0和1分别对应地转化成电荷的“电中性”和“带负电”两种状态，进而通过读出电荷态实现对自旋态的读出。

实验结果显示，在自旋翻转过程严重的NV色心上，传统共振荧光方法误差为20.1%，而新方法将误差压制到了4.6%。

另外，该工作确定性地证明了红外光通过单光子过程电离NV-激发态。2013年以来，关于1064nm波长的红外光抑制NV色心荧光的物理机制存在争议，光热、受激辐射、暗能带、光电离等多种模型被提出。

本工作提供了支持光电离模型的关键实验证据，并且与目前部分第一性原理模型预测截然不同，可以为相关理论提供实验修正参考。

新方法可以与光学结构等传统手段兼容，丰富了固态自旋的高保真度读出工具箱，在量子信息处理和量子精密测量方面具有重要应用。进一步提升红外光电离速率，有望突破量子比特读出的容错阈值。

结合单电子晶体管读出技术，可实现光电集成化的量子芯片。红外波段对生物组织等样品光损伤更小，该技术可大幅提升量子传感探测效率。

中国科学院微观磁共振重点实验室的特任副研究员张琪、博士研究生郭宇航和博士后研究员季文韬为该文共同第一作者，杜江峰教授和王亚教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。