超流体量子计算机突破：新型量子比特的出错率有望降低100倍

萨里大学的研究人员提出了一种新型量子比特，这可能有助于解决量子计算中最大的障碍之一：在系统规模扩大时保持低错误率。

该概念利用超流体氦（一种具有异常量子特性的氦形式）来创建一种量子比特，它对影响当今领先量子计算机的某些干扰可能不太敏感。

为什么量子计算机难以应对错误

量子计算机依靠量子比特以传统计算机无法实现的方式存储和处理信息。目前的许多系统使用超导电路，但这些电路对电磁噪声和杂散电荷高度敏感——类似于能让头发吸附在气球上的静电。

即使是非常微小的干扰也会破坏存储在量子比特中脆弱的量子信息。随着更多量子比特的加入，控制这些错误变得越来越困难，这使得可扩展性成为量子计算的核心挑战之一。

在发表于《npj Quantum Information》的一项研究中，来自萨里大学量子科学组的研究人员描述了一种围绕超流体氦-3 构建的不同方法——这是一种可以无摩擦流动的异常形式的液氦。

他们提出的设备被称为超流体氦振荡器量子 (SHOQ) 设备，将使用电中性的超流体氦。由于氦不带电荷，该设计可以自然地免受某些类型的电磁噪声的影响。

预测错误率大幅降低的量子比特

据研究人员称，这是首次报道的基于超流体的量子比特设计。他们的计算表明，SHOQ 设备的错误率可能比传统的超导量子比特低约 100 倍。

萨里大学数学与物理学院混合量子系统项目的 Daphne Jackson 研究员、该研究的第一作者 Priya Sharma 博士说：

“我们并不是第一个想到这个想法背后各个组件的人，但我们第一次做的是将它们整合到一个微流控设备中，并计算出使该设备能够作为量子比特运行的具体细节。

“数学计算告诉我们它是可行的。我们利用已知的超流体氦和量子技术，将其转化为一个成熟的设计，并确定了建造它所需的参数和规格。下一步是制作一个原型，并对这些预测进行测试。”

研究人员表示，SHOQ 设备并非要取代现有的量子计算硬件，而是有可能与超导量子技术集成。

这可能允许不同类型的量子比特在同一个系统中根据其优势执行不同的任务。

作为量子存储器的潜在角色

一个更长期的可能性是将 SHOQ 设备作为一种量子存储器。在这种设置下，基于超流体的量子比特可以存储量子信息，而其他硬件则进行计算。

萨里大学物理系和高级技术研究所副教授、该研究的共同作者 Eran Ginossar 博士说：

“我们不一定需要一种类型的量子比特来完成所有工作。结合不同的量子技术可以让我们利用每种技术的优势。

“超流体氦为我们提供了一种完全不同的量子硬件供探索。如果预测的性能可以通过实验得到证实，它最终可以作为更大量子系统的一部分，与现有的超导技术并肩工作。”

下一步是建造原型

该团队现在计划建造一个原型，以确定预测的性能是否可以在真实设备中重现。这项工作得到了授予 Priya Sharma 博士的 IAA 商业化奖学金的支持。

SHOQ 设备需要在极低温度下运行，但研究人员在之前涉及超流体氦-3 的实验中已经达到了必要的条件。

该项目由萨里大学领导，并与美国西北大学的 Jens Koch 教授合作。Koch 曾是参与开发 transmon 的研究人员之一，transmon 是一种目前在量子计算中广泛使用的超导量子比特设计。