2016 年今日 UNSW 替量子位元穿上微波 相干時間長 10 倍

2016 年今日：替量子位元「穿上」微波

2016 年 10 月 17 日，澳洲新南威爾斯大學（UNSW）的研究團隊在《Nature Nanotechnology》發表論文〈A dressed spin qubit in silicon〉，展示一種新的量子位元：把矽晶片內單一磷原子上的電子自旋，放進一個持續振盪的強微波場之中，令它「穿上」微波，成為所謂的「dressed qubit」。

團隊量度到，這種量子位元保持量子疊加狀態的相干時間，比沒有「穿衣」的自旋長一個數量級，即大約 10 倍。論文第一作者是 UNSW 電機工程及電訊學院研究員 Arne Laucht，團隊由 UNSW 量子計算及通訊技術卓越中心（CQC2T）的 Andrea Morello 領導。

為何要「穿衣」

量子電腦的難處，在於量子位元的疊加狀態極之脆弱，稍受外界雜訊干擾便會消失，計算亦隨之失敗。Morello 當時說：「用量子物體做計算，最大的障礙是把它們脆弱的疊加狀態保存得夠久，讓我們完成有用的計算。」

UNSW 團隊此前已在矽晶片內的單一磷原子上，做出固態系統中壽命最長的量子位元之一。這次的做法，是把量子資訊重新定義為自旋相對於微波場的方向。由於微波場以極高頻率穩定振盪，頻率不同的雜訊淨效果近乎為零。

Morello 用收音機作比喻：「這種量子位元可以只靠調變微波場的頻率來控制，就像 FM 收音機；沒有『穿衣』的量子位元，則要把控制場的振幅開開關關，就像 AM 收音機。」他指出，頻率非常穩定，振幅卻較易受外界雜訊影響，這是「穿衣」量子位元較不怕雜訊的原因。

之後十年

論文亦指出，這種量子位元可以用振盪的磁場、電場、調頻或簡單的失諧脈衝來控制，並能與電場及機械振動耦合。

UNSW 其後沿着這個方向繼續研究。2022 年，由 Andrew Dzurak 領導的另一支 UNSW 團隊發表「SMART」量子位元協議，同樣讓量子位元持續被驅動，把相干時間推至最長兩毫秒，比同一處理器之前的基準長 100 倍；UNSW 在發布時提到，延長相干時間的概念早在 2016 年已由該校工程師實驗證實。Dzurak 亦創辦了 UNSW 分拆公司 Diraq，研發以標準矽晶片工序製造的量子處理器。

來源

• A dressed spin qubit in silicon（Nature Nanotechnology 原始論文）
• UNSW obtains 10-fold boost in quantum computing stability（ZDNET）
• For the longest time: quantum computing engineers set new standard in silicon chip performance（UNSW）