利用量子力學奇異特性的計算機,在解決某些問題(例如破解一種廣泛使用的加密方式)時,可能具有遠遠超過傳統計算機的能力。然而,物理學家必須克服一個根本性的障礙,量子計算機才能成為現實:退相干,這是量子計算機所依賴的量子特性的喪失。退相干源於與周圍環境的最微小雜散相互作用,因此大多數量子計算機設計都試圖將敏感的工作元件與周圍環境隔離。
然而,荷蘭萊頓大學的杰倫·範·登·布林克和他的同事們認為,即使是完美的隔離也無法阻止退相干。一種稱為自發對稱破缺的過程會破壞量子計算所需的精細狀態。對於一種基於超導量子位元(qubits)的提議裝置,他們預測這種新的退相干來源會在短短幾秒鐘後就使量子位元退化。
量子位元的一個關鍵特徵是它們能夠處於所謂的疊加狀態;本質上,它們可以同時為0和1,這與標準計算機中必須具有確定值的位元不同。處於疊加狀態的量子位元通常處於高度對稱狀態。例如,在超導量子位元中,一個小電流會同時順時針和逆時針在一個環路中迴圈。自發對稱破缺會擾亂這種平衡。這個過程發生在整個物理學中——例如,一個放在山頂上的球往往會滾下山的一側,破壞了球在頂端平衡的對稱(如果是不穩定的)狀態。在超導環路的情況下,自發對稱破缺往往會導致量子位元選擇一個確定的狀態,從而破壞了疊加。
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萊頓研究人員的結果僅適用於由大量粒子組成的量子位元。超導量子位元符合這一要求,因為電流由數十億電子組成。該結果不適用於基於單個粒子的量子位元,例如懸浮在磁阱中的離子或晶片上量子點中的單個電子。事實上,8月份,美國國家標準與技術研究院的物理學家演示了具有超過10秒相干時間的單離子量子位元。
並非所有人都認為幾秒鐘的限制是超導量子位元的嚴重障礙。加州大學聖巴巴拉分校的約翰·馬蒂尼斯表示,一秒鐘“對於我們實驗人員來說已經足夠了,因為我認為其他物理現象會在這個時間尺度之前限制我們。”耶魯大學的理論家史蒂文·M·吉爾文認為,“如果我們能獲得超導量子位元一秒鐘的相干時間,那就意味著退相干可能根本不是一個限制。” 吉爾文認為,這是因為一旦相干時間足夠長,量子糾錯就可以克服退相干。透過執行每批只持續一秒鐘的量子位元,量子計算機整體可以無限期地繼續工作。
到目前為止,實驗室中的超導量子位元在退相干造成影響之前大約持續500納秒。吉爾文指出,幾年前退相干時間只有幾納秒,因此500納秒“代表了巨大的進步”。