莫斯科國立科技大學（NUST MISIS）、俄羅斯量子中心（RQC）、以及德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的一支聯合研究團隊，已經在量子優勢研究方面取得了重大的進展。由發表在《npj量子信息》期刊上的研究論文可知，其打造的一款量子傳感器，為量子比特中兩檔能級缺陷的測量和操縱鋪平了道路。

（圖自：Sergey Gnuskov / NUST MISIS）

SCITechDaily 指出，在量子計算中，信息以量子計算進行編碼。在經典的量子力學模擬實驗中，量子比特有著相干的兩級系統。

當前最主要的量子比特模式，是基於約瑟夫森結（Josephson junction）的超導量子比特，正如我們在IBM 和谷歌的量子處理器上所見到的那種量子比特。

與此同時，科學家們仍未放棄尋找不受其環境影響、支持精確測量和控制、更加完美的量子比特。

超導量子比特的關鍵，在於納米級的超導體-絕緣體-超導體約瑟夫森結。作為一種隧道結，它由兩片超導金屬製成，並由非常薄的絕緣層（常見為氧化鋁）隔開。

然而現代技術不允許以100% 的精度來構建量子比特，結果導致了所謂的隧穿兩級缺陷。這限制了超導量子器件的性能，並且會引起計算錯誤。

確切的說法是，缺陷會導致量子比特的壽命極短或退相干。而氧化鋁和超導體表面的隧穿缺陷，就是超導量子比特中波動和能力損耗的重要來源，最終限制了計算機的運行時間。

研究配圖- 1：實驗設置與量子比特樣本

研究人員指出，發生的材料缺陷越多，對量子比特的性能掣肘就越大，進而引發更多的計算錯誤。

好消息是，得益於新開發的量子傳感器，其能夠對量子系統中的各個二級缺陷展開測量和操作。

研究配圖- 2：缺陷光譜

研究合著者，NUST MISIS 超導超材料實驗室負責人、俄羅斯量子中心研究組負責人Alexey Ustinov 教授表示：“傳感器本身就屬於超導量子比特，能夠對單個缺陷進行檢測和處理”。

儘管此前也有研究材料結構的傳統技術，例如小角度X 射線散射（SAXS），但其缺點是不夠靈敏、難以發現微小的單個缺陷，因而基於傳統技術的方案無助於構建最佳的量子比特。

研究配圖- 3：樣品電介質中的TLS 相互影響

展望未來，研究人員希望這項技術能夠為量子材料的隧道缺陷結構、以及低損耗電介質的光譜學研究開闢新的途徑。因為超導量子計算機的發展，迫切需要這種低損耗的電介質。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《npj Quantum Information》期刊上，原標題為《Quantum sensors for microscopic tunneling systems》。