量子計算工程師為矽芯片的性能設定了一個新標準。在量子計算的世界裡，兩毫秒，或千分之二秒，是一個非常長的時間段。在這些時間尺度上，一眨眼–十分之一秒–似乎都已經是永恆的。來自新南威爾士大學的研究人員現在有了新的突破，證明了”自旋量子比特”，也就是量子計算機的基本信息單位，可以存儲數據長達兩毫秒。

這一成就比之前同一量子處理器中所謂的”相干時間”的基準要長100倍，相干時間是指量子比特在日益複雜的計算中可以被操縱的時間。

“更長的相干時間意味著你有更多的時間來存儲你的量子信息–這正是你在進行量子操作時需要的，”博士生阿曼達-賽德豪斯女士說，她在理論量子計算方面的工作促成了這項成就。

“相干時間基本上是告訴你，在你失去你的量子比特中的所有信息之前，你可以在你想做的任何算法或序列中做多久的所有操作。”

Ingvild Hansen和Amanda Seedhouse在進行量子計算實驗的實驗室裡

在量子計算中，你能保持運動的自旋越多，信息在計算過程中就越有可能得到保持。當自旋量子比特停止旋轉時，計算就會崩潰，每個量子比特所代表的數值都會丟失。2016年，新南威爾士大學的量子工程師通過實驗證實了擴展一致性的概念。

讓事情變得更加困難的是，未來的工作量子計算機如果要解決人類的一些最困難的問題，例如尋找有效的疫苗、模擬天氣系統和預測氣候變化的影響，就需要跟踪數百萬個量子比特的值。

去年年底，新南威爾士大學的同一個團隊解決了一個困擾工程師幾十年的技術問題，即如何在不產生更多熱量和乾擾的情況下操縱數百萬的量子比特。該研究小組沒有增加數以千計的微小天線來用磁波控制數以百萬計的電子，而是想出了一個辦法，通過引入一種叫做介電諧振器的晶體，只用一根天線來控制芯片中的所有量子比特。他們在《科學進展》雜誌上發表了這些發現。

這解決了空間、熱量和噪音的問題，這些問題會隨著越來越多的量子比特的上線而不可避免地增加，當量子比特不僅像傳統的二進制計算機那樣代表1或0，而且同時代表兩者時，利用一種被稱為量子疊加的現象，就可以進行令人費解的計算。

全局控制與個別控制

然而，這一概念驗證的成就仍有一些挑戰需要解決。首席研究員Ingvild Hansen女士與Seedhouse女士一起，在《物理評論B》、《物理評論A》和《應用物理評論》雜誌上發表的一系列論文中解決了這些問題。

能夠只用一根天線控制數百萬個量子比特是一個很大的進步。但是，雖然一次控制數百萬個量子比特是一個偉大的壯舉，但工作中的量子計算機還需要對它們進行單獨操縱。如果所有的自旋量子比特都以幾乎相同的頻率旋轉，它們就會有相同的數值。我們如何才能單獨控制它們，使它們在計算中代表不同的數值？

“首先我們從理論上表明，我們可以通過連續旋轉量子比特來提高相干時間，”漢森女士說。”如果你想像一個馬戲團的表演者旋轉盤子，當它們還在旋轉時，表演可以繼續。以同樣的方式，如果我們連續驅動量子比特，它們可以保持信息更長時間。我們表明，這種’穿衣’的量子比特的相干時間超過230微秒[2.3億分之1秒]”。

在該團隊表明相干時間可以用所謂的’穿衣’量子比特來延長後，下一個挑戰是使協議更加穩健，並表明全局控制的電子也可以被單獨控制，以便它們可以保持複雜計算所需的不同數值。

這是通過創建團隊稱之為”SMART”的量子比特協議來實現的–正弦波調製、始終旋轉和定制。

他們沒有讓量子比特轉圈，而是操縱它們像節拍器一樣來回搖晃。然後，如果對任何一個量子比特單獨施加一個電場–使其脫離共振–它就可以進入與它的鄰居不同的節奏，但仍以同樣的節奏運動。

“把它想像成兩個盪鞦韆的孩子，他們幾乎是同步前進和後退的，”賽德豪斯女士說。”如果我們給他們中的一個人推一把，我們可以讓他們在相反的兩端達到弧線的終點，所以當另一個人現在是1的時候，一個人可以是0。”其結果是，不僅可以在全局控制（磁力）的影響下單獨（電子）控制一個量子比特，而且如前所述，相干時間大大延長，適合於量子計算。

“我們已經展示了一種簡單而優雅的方式，可以同時控制所有的量子比特，而且還帶有更好的性能，”該團隊的高級研究人員之一楊亨利博士說。”SMART協議將是全面量子計算機的一條潛在路徑。”

該研究團隊由新南威爾士大學分拆出來的公司Diraq的首席執行官和創始人Andrew Dzurak教授領導，該公司正在開發可以使用標準矽芯片製造的量子計算機處理器。

接下來的步驟

“漢森女士說：”我們的下一個目標是，在我們的實驗論文中用一個量子位展示了我們的概念證明之後，用兩個量子位的計算來證明它的有效性。

“在那之後，我們想表明我們也可以為少數幾個量子比特做這件事，以表明該理論在實踐中被證明。”