超導(dǎo)量子比特壽命突破500微秒——雖為人間一剎，卻是意義非凡

近日，在中關(guān)村論壇上北京量子信息科學(xué)研究院發(fā)布了最新成果長壽命超導(dǎo)量子比特芯片，成功使超導(dǎo)量子比特退相干時間達到503微秒，創(chuàng)造了新的世界紀錄。有趣的是，因為該成果標(biāo)題中寫著“長壽命”，一些公眾饒有興趣地上前詢問，以為可以通過量子技術(shù)延年益壽。量子比特的“壽命”即量子退相干時間，如何保持量子相干性是目前研制量子計算機的關(guān)鍵問題之一，國際競爭激烈。本文用通俗的語言介紹超導(dǎo)量子比特，以及與“壽命”相關(guān)的問題。我們應(yīng)該了解，在量子計算基礎(chǔ)研究和工程化方面，仍有很長的路要走。

撰文 | 無邪

近日，2021中關(guān)村論壇上發(fā)布了一項成果，其名曰“長壽命超導(dǎo)量子比特芯片”。這個成果將超導(dǎo)量子比特的壽命提升到了500微秒以上，成為目前國際上經(jīng)同行認可的最高記錄。（當(dāng)數(shù)據(jù)在arXiv上公開的同時，IBM的量子計算負責(zé)人Gambetta也在推特上發(fā)了一張圖，顯示它們的量子比特壽命已經(jīng)達到了1毫秒以上。以IBM及其量子計算團隊的信譽，這個數(shù)據(jù)應(yīng)該是真實的，不過此后他們再也沒有公布任何細節(jié)和更多的數(shù)據(jù)。由此可見，推特不僅能治國。）

圖1. 2021年度中關(guān)村論壇，長壽命超導(dǎo)量子比特芯片作為重大成果之一發(fā)布

該成果在論壇（科博會）上展出的時候，引起了很多媒體和公眾的關(guān)注。期間我們發(fā)現(xiàn)一個很有意思的事情，不少老年人上前來問：這個成果真的能延長壽命嗎？這個問題真真是不好回答，讓這些滿懷希望的老人失望而歸，心有不忍，但真的不能誤導(dǎo)他們??！有鑒于不少人將關(guān)注點放到了“長壽命”上，我覺得有必要解釋一下：量子比特的壽命，和人的壽命，的確是兩回事。想延年益壽，留戀人間的美好，或許是人入晚年的一個普遍心態(tài)。其實有很多科學(xué)家在努力攻克這些難關(guān)，但真的不是我們這些做量子技術(shù)的人所能解決的，還請長輩們移步生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和健康相關(guān)的展區(qū)，或許他們能給出更滿意的回答。當(dāng)然，也順便要提醒一下長壽心切的長輩們，以科學(xué)之態(tài)度審視科學(xué)，切勿被動機不純的斂財奸商所利用，被偽科學(xué)所忽悠。

超導(dǎo)量子比特：構(gòu)建于宏觀量子態(tài)之上的量子比特

我在《返樸》的上一篇文章《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo)：一場美麗的邂逅》中，談到過采用超導(dǎo)器件來構(gòu)建量子比特的奇妙之處。建造一臺強大的量子計算機，注定是一場史詩級的科技大冒險，它必將是人類偉大探索精神的最美注腳之一。二十年之后人們再來回顧這場歷程時，或唏噓一場，或驚心動魄，無論如何，作為其中的親歷者，其內(nèi)心一定別有一番滋味。也許等我退休之后（如果我能熬到那天的話），我會寫一本回憶錄，應(yīng)該會很有意思。

在這場遠征中，目前已經(jīng)有好幾支隊伍沖鋒在前，另外還有些隊伍整裝待發(fā)。且不去想最終哪支隊伍能登頂摘取“圣杯”，僅就目前的發(fā)展形勢和近期趨勢來看，超導(dǎo)量子計算無疑是走在最前面的。作為一種固態(tài)量子器件，其最大的特點是可設(shè)計（我一直找不到一個特別貼切的詞來表述“engineering”的準(zhǔn)確意思，姑且用設(shè)計吧）、易耦合。

這兩個特點都是與自然原子或其他自然粒子相反的。以原子為例，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是固定的，幾乎不可能去人為地“塑造”它們，因此它們往往是非常穩(wěn)定的。除了那些具有放射性的元素以外，絕大部分原子幾乎是亙古不變的，存在于我們身體里的原子，或許在一億年前存在于某條恐龍的身體里。這些特點讓自然原子天然地具有很長的“壽命”，而與之相對的，就是它們很難耦合。倘若我們站在一個原子的視角看這個世界，正如同我們站在地球上看浩淼的宇宙——一個星球懸浮在那里，孤獨而美麗。偶爾有個別天外之物光臨，也瞬間化作流星，消失無蹤。對于一個如此穩(wěn)定的量子體系，你會發(fā)現(xiàn)，它看上去很美，你卻束手無策（難以操控和測量）！這的確是我們在面對自然原子時所面臨的困境，直到21世紀腔量子電動力學(xué)（Cavity QED）的發(fā)展，才終于找到操控和測量單個原子中量子態(tài)的手段，為此兩位科學(xué)家Serge Haroche和David J. Wineland共享了2012年諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們“突破性的實驗方法，使測量和操作單個量子系統(tǒng)成為可能?！?/p>

超導(dǎo)量子比特則正好相反，它是通過對超導(dǎo)“宏觀量子態(tài)”進行再約束而形成的超精細能級。在《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo)：一場美麗的邂逅》中我對此做了一些敘述，這里可以再補充一點，說得更形象一點。

在微觀世界里，一個或少數(shù)幾個原子、電子等，它們在歲月靜好中，自然是處于量子態(tài)并受量子力學(xué)所支配的。我們暫且將原子比喻成一個人，觀察單個的原子，就如同在一個玻璃罩中觀察一個人那樣，此時我們發(fā)現(xiàn)這個人居然是“量子”的。但當(dāng)大量這樣的粒子在一起，同時存在一定的相互作用時，量子性就會迅速消失，進入“宏觀世界”，行為就變成了經(jīng)典的。就像我們站在高臺上看廣場中的人頭攢動，此時我們已很難分辨或追蹤某個人的具體行為和蹤跡了。我們看到和感受到的，只能是一些總體的行為，比如人群向哪里聚集，向哪里流動等。我們?nèi)粘Ｒ姷降奈矬w，內(nèi)部的原子數(shù)在10^23量級，想象一下我們觀賞千萬億億個人的集體時會看到什么？可以肯定的是，此時我們不可能再分辨出某一個人在干什么了。

圖2. 尋找維尼？在一個自由度（廣場中的每個人，可以看成是一個“自由度”）非常多的群體當(dāng)中，我們不再可能去關(guān)注個人行為，而只能看到集體行為。

但如果我們將所有的人訓(xùn)練成一支軍隊，情況就有所不同了。當(dāng)國慶閱兵時，一個個方陣走過天安門，所有戰(zhàn)士的動作、喊聲，整齊劃一，此時人群的集體行為和其中任何一個“個人”的行為是一致的。假如個人行為是“量子”的，那么可以想象，這支軍隊的行為也就是量子的。宏觀量子態(tài)，就是這樣一支軍隊。目前我們?nèi)祟愐呀?jīng)找到了好幾種這樣的“宏觀量子態(tài)”，包括玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC），以及超導(dǎo)態(tài)等。毛主席說得好，團結(jié)就是力量，在這種整齊劃一的“量子軍隊”中，各種量子效應(yīng)會得到放大，就如同閱兵方陣喊出的“為人民服務(wù)！”，震天價響。這就解釋了為什么超導(dǎo)量子比特這種基于宏觀量子態(tài)的比特易于耦合（相互作用）——盡管與任何單個粒子的耦合非常微弱，但大量行為相同的粒子集體來看，耦合就會變得非常強。

圖3. 閱兵場上的情形就有所不同：所有的戰(zhàn)士整齊劃一，形同一人。在這種體系中，“集體自由度”與“個體自由度”某種程度上是一致的。

量子比特的“壽命”：它們有自己的“時鐘”

任何事物都是辯證統(tǒng)一的，量子態(tài)并不能區(qū)分外部的相互作用是來自于我們?nèi)藶榈牟倏?，還是其他莫名其妙的來源。因此，集團軍模式的宏觀量子態(tài)的確能加強與外界的相互作用，讓操控、耦合和讀出都變得更容易，但它也更容易受到外界干擾。

物理上，我們將這些不可控、不可知的自由度通通稱為噪聲。在固體中，一個量子態(tài)面臨的環(huán)境要比單個原子中某個量子態(tài)所面臨的復(fù)雜得多。原子、電子的隨機運動，空間中各種電磁波，甚至宇宙射線，都會與我們精心制備的量子態(tài)發(fā)生作用，從而“偷走”其中的信息，并迅速消失在茫茫人海中。由于計算本質(zhì)上是一種信息處理過程，因此，信息的丟失自然就對應(yīng)著計算錯誤。

現(xiàn)在，我們終于將主題拉回到“壽命”上來了。上面提到的信息丟失，通俗點來說就相當(dāng)于這個量子態(tài)壽終正寢了，于是我們就稱一個量子比特保持信息不丟失的時間為它的“壽命”。由于噪聲以及量子過程內(nèi)在的隨機性，這個所謂“壽命”實際上是一個統(tǒng)計上的特征時間，物理上我們稱為“退相干時間（decoherence time）”。所有量子計算的操控動作，原則上應(yīng)該在遠小于這個時間內(nèi)完成，以避免錯誤的發(fā)生。這正是建造量子計算機的“Divincenzo準(zhǔn)則”之一（參見《當(dāng)量子計算遇上超導(dǎo)：一場美麗的邂逅》）。

與其他量子比特相比，超導(dǎo)量子比特的壽命非常短（其原因在前面講過了）。目前的典型值大約在10-100微秒量級。這個時間，比我們眨一下眼睛所用的時間都短得多，如果用我們?nèi)说臅r鐘來看，這個壽命簡直不值一提。但我們應(yīng)該站在量子比特的角度去看，不是嗎？

圖4. 《星際穿越》中，飛船靠近黑洞時，時鐘變得非常緩慢：飛船上1小時，人間已過7年！同樣的時間，不同的“滴答”，體驗差異是巨大的。

對于超導(dǎo)量子比特而言，做一次量子門操作的時間大約在10-100納秒量級，為此我們可以將這個門操作的時間看作量子比特的一個“滴答”（tick-tock）。假如一個量子比特的壽命為100微秒，它的一個“滴答”是50納秒，那它將在2000個“滴答”之后“駕鶴西去”，而這就是這個比特所能進行的運算的極限。如果將量子比特的“滴答”等效成我們?nèi)说摹暗未稹钡脑?，量子比特能活半個小時呢！

北京量子信息科學(xué)研究院通過材料和微納加工工藝方面的創(chuàng)新，將這個“壽命”延長到了503微秒，用上面的比方來說，它能活近3個小時。假如你只有半小時的壽命，恐怕僅夠為來生許幾個愿望，但如果你有3個小時，你甚至來得及趕回家為家人做頓飯然后一起享用這頓美食。是不是很香？

可見衡量一個量子比特的壽命，不能光看絕對時間。正如前面所論述的，真正有效的壽命，還需要結(jié)合一個“滴答”到底多長來衡量。以另外一種類型的量子比特——核磁共振量子比特為例，它的退相干時間一般在1秒左右，而做一次門操作的時間為1-10毫秒。按照上面的等效法，它大約只相當(dāng)于人的2到20分鐘——盡管它的絕對壽命要比超導(dǎo)量子比特長上萬倍。如何把一個“滴答”做得更短，讓量子門做得更快更準(zhǔn)，是另外一個需要突破的技術(shù)挑戰(zhàn)，在這里暫時不展開來講。我也許會在后續(xù)的篇章中作為專題寫一下，敬請期待哦。

數(shù)量VS壽命

由于量子比特操控錯誤主要來源于“退相干錯誤”，而退相干錯誤對壽命是指數(shù)依賴關(guān)系，因此壽命的延長無疑對操控精度的提升有很大的幫助。壽命一直是超導(dǎo)量子比特的短板，第一個超導(dǎo)量子比特做出來的時候，壽命只有不到3納秒（那還是估計的，不是準(zhǔn)確測量的）。所以超導(dǎo)量子計算研究的前期和中期，如何提高量子比特壽命是一個核心主題，甚至是評價一種量子比特形態(tài)（超導(dǎo)量子比特也有很多種形態(tài)）是否有前景的主要指標(biāo)。如今，主流的超導(dǎo)量子比特壽命已經(jīng)達到了100微秒的量級，與其誕生之初相比，提升了5個數(shù)量級，其發(fā)展速度竟類似摩爾定律！凱文·凱利（Kevin Kelly）在他經(jīng)典的著作《失控》中，曾描述過技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，類似摩爾定律的指數(shù)發(fā)展律在很多領(lǐng)域的某階段都發(fā)生過，而指數(shù)的類摩爾定律發(fā)展，也是一項技術(shù)發(fā)展最具活力的象征。

圖5. 超導(dǎo)量子比特壽命發(fā)展的“摩爾定律”

自transmon量子比特（全稱為“傳輸線旁路的等離子體振蕩量子比特”，所以還是用transmon比較合適）及電路量子電動力學(xué)（Circuit-QED）發(fā)展起來之后，超導(dǎo)量子計算的發(fā)展重心逐漸向規(guī)?；D(zhuǎn)移。人們越來越期待比特數(shù)增加之后所帶來的奇跡，谷歌“量子霸權(quán)”（quantum superamacy，現(xiàn)在大家不喜歡這個詞，更傾向于用“量子優(yōu)勢”quatum advantage）的演示，將這一趨勢推向了高潮。比特數(shù)增加帶來的工程化挑戰(zhàn)，自然是讓很多研究者熱血澎湃，但業(yè)界遲早，或已經(jīng)在反思：目前的量子比特壽命真的夠了嗎？如果制造出的是一大堆充滿噪聲的比特，多了真的能出奇跡嗎？我相信真正熟悉并希望造出實用量子計算機的人們心中會有答案。我的答案是：如果不持續(xù)提升量子比特這一基本單元的性能，包括壽命和門操控保真度（扣除錯誤率之后的準(zhǔn)確率就是保真度），超導(dǎo)量子計算的規(guī)?；纷卟贿h。材料生長、表面界面處理、微納加工工藝等，這些基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)如果突破，有可能為規(guī)模化帶來質(zhì)的飛躍。但這是一條充滿艱辛的道路。

量子糾錯——“諜海戰(zhàn)術(shù)”

降低錯誤率，提升比特壽命和操控保真度，還有一個途徑。我曾經(jīng)在《返樸》上向讀者推薦了Adrian Cho的文章《量子計算的下一個超級大挑戰(zhàn)》，詳細闡述了這一途徑——量子糾錯。量子糾錯的主要思想是將量子態(tài)編碼到一個更大的空間中去，以提升量子態(tài)的抗噪能力。打個比方說，原本我們是將信息交給一個情報員保管。諜戰(zhàn)險惡，周圍到處都隱藏著各路黑客，他們會不斷攻擊我們的情報員，竊走或破壞他手里的情報。哪怕是最頂尖的情報員，也只能保護手里的情報幾個小時，蹩腳的分分鐘就被盜走了。這個問題很傷腦筋，再這么下去情報工作沒法做了！終于，情報局想出了一個新辦法：他派出更多的情報員，每個人手里拿著一份信息的拷貝，他們定期會核對手里的情報，一旦某個或某幾個人的情報出錯了就盡快糾正他們。這樣一來，只要我派出的情報員足夠多，他們核對信息的頻率足夠快，無論黑客怎么攻擊，他們也能保持信息的完好。至此，完美解決了情報丟失的問題。這個比喻也許不那么恰當(dāng)，因為它沒考慮黑客們拿走情報之后會用來干什么壞事，或許這些黑客僅僅就是一幫惡趣味，以搞破壞為榮。

早期提出的量子糾錯算法更像是一個數(shù)學(xué)玩具，因為他們對每個情報官的素質(zhì)要求太高了，即便我們目前最頂尖的特工也做不到。直到Kitaev提出了拓撲編碼方法，后經(jīng)改進之后，演變成了所謂的“表面編碼”。這種糾錯碼大大降低了對情報員自身素質(zhì)的要求，我們目前的技術(shù)就能夠造出來了，代價就是需要更多的特工，稱得上是“諜海戰(zhàn)術(shù)”：以現(xiàn)有技術(shù)水平估計，構(gòu)建出一個“永不消逝的量子波”，需要3000+個這樣的情報員！好在我們至少看到了希望。

圖6. 表面編碼：目前最具實用性的量子糾錯碼。圖（a）中的空心圓點為數(shù)據(jù)比特，實心（黑）圓點為糾錯比特。通過一定的形式將信息編碼到數(shù)據(jù)比特中，然后將數(shù)據(jù)比特與糾錯比特〔以（b）和（c）中的形式〕糾纏起來并對糾錯比特做測量，可以在不破壞數(shù)據(jù)比特信息的情況下，追蹤它們是否發(fā)生錯誤，不斷重復(fù)這樣的過程，就能夠持續(xù)的修正錯誤。

盡管表面編碼對物理比特性能的要求大幅降低了，但依舊充滿了挑戰(zhàn)性。到目前為止，尚未有任何團隊在哪怕最簡單的“Surface-17”（包含9個數(shù)據(jù)比特和8個糾錯比特）編碼結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了真正的糾錯，即突破錯誤率盈虧平衡點。未來要想在這方面取得突破，同樣依賴于物理比特性能的提升，而其中最關(guān)鍵的指標(biāo)之一，依然是壽命。這是一條更艱辛的道路。

至此，我國在單個超導(dǎo)量子比特壽命上的突破，其意義就不言而喻了。但這遠遠不是遠征的終點，甚至駐足點都不算，毫不值得沾沾自喜。如何將這些技術(shù)推廣到包含更多量子比特的芯片中去，如何以此為基礎(chǔ)進一步提升量子門操控的保真度，將是接下來更為重要的挑戰(zhàn)。