微小超导电流或为无损读取量子信息提供新途径

量子计算领域最大的障碍之一说起来非常简单：如何在不改变或破坏信息的前提下读取它？与普通计算机使用的比特不同，量子比特（qubit）对测量极为敏感。试图确定其状态往往会导致该状态发生坍缩，从而可能抹去科学家想要获取的信息本身。

研究人员现在提出了一种方法，利用量子比特自身产生的一种特殊电信号来克服这一难题。他们的方法聚焦于一种被称为"安德烈夫量子比特"（Andreev qubit）的特殊类型，它能够通过自身的量子行为产生振荡的电超导电流。通过监测这一电流，科学家或许能够确定量子比特的状态，而无需直接测量它，也不会显著干扰其所包含的信息。

这项由巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）支持的研究发表于《物理评论B快报》（Physical Review B Letters）。研究由巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所（IFSC-USP）正教授何塞·卡洛斯·埃格斯（José Carlos Egues）和中国北京理工大学物理学院的姚裕贵共同主导。如果该方法得到实验验证，将有望简化量子计算，省去某些测量技术中所需的额外量子比特。

量子信息测量为何如此困难

传统计算机将信息存储为比特，其取值为0或1两种之一。这些值可以反复检查而不改变信息本身。量子计算机的工作方式则不同，因为其量子比特可以处于叠加态，意味着它们能以传统比特无法实现的方式将0态和1态组合起来。

这种特殊能力正是量子计算潜在威力的核心所在。然而，它同时也带来了一个重大弱点。量子态可能因与周围环境的相互作用而被破坏，其中就包括科学家用来观测它们的仪器。

"在量子力学的传统表述中，投影测量会使系统塌缩为与被测量量相关的某一确定状态。因此，如果一个量子比特被制备在0和1的某种叠加态上，对其进行直接测量往往会破坏这种叠加态，进而破坏其中所包含的信息，"埃格斯说道。

为了缓解这一问题，物理学家开发出了被称为"量子无损测量"（QND）的技术。许多此类方法使用一个被称为"辅助量子比特"（ancilla）的额外量子系统。研究人员不直接测量原始量子比特，而是将信息转移到辅助系统上，再对该辅助系统进行测量。

"ancilla"一词源自拉丁语，意为"奴仆"或"仆从"。在现代科学用语中，它指代发挥支持性作用的事物。在这里，辅助量子比特充当中介角色，使研究人员能够在尽可能保留原始量子比特的同时获取信息。

尽管这种方法行之有效，但也存在实际缺点。科学家必须制备辅助量子比特，将其与所研究的量子比特相连接，在二者之间传递信息，并进行多次测量。这些额外步骤需要耗费时间和设备，而随着量子比特数量的增加，这种复杂性也会日益显著。

"我们的策略不同。我们不是将信息转移到辅助量子比特上，而是试图从被研究的量子比特自身产生的信号中获取信息，"这位研究人员说道。

一种能产生自身信号的特殊量子比特

该技术方案依赖于安德烈夫量子比特的特殊性质。其名称是为纪念苏联物理学家亚历山大·安德烈夫（Alexander Andreev，1939-2023），他在1964年发现了发生在普通材料与超导体交界处的一种独特量子过程。

超导体是一类在适当条件下能够无电阻导电的材料。在涉及这类材料的边界处，可以形成被称为"安德烈夫态"的特殊量子态。在研究人员所研究的系统中，这些态被限制在两种超导材料之间一个极其微小的区域内。

这些量子态可以代表基本的0态和1态，以及这些态的叠加态，使其适合用于存储量子信息。

"在所考虑的系统中，这一区域是一个量子点——即一种电子在空间上受到限制的纳米尺度结构——形成于连接两侧超导材料的砷化铟（InAs）纳米线中。正是在这种环境下，表征安德烈夫量子比特的各种态得以形成，"埃格斯解释道。

这种新方法的关键在于一种被称为"超导电流"的电学现象。与流经普通电导体的电流不同，超导电流的流动没有电阻。

研究人员发现，当安德烈夫量子比特处于叠加态时，其超导电流会产生一个随时间振荡的分量。这些振荡源自构成叠加态的不同状态之间的量子干涉。

至关重要的是，这些振荡并非随机。其行为中包含有关量子比特底层量子态的信息，这可能使科学家能够确定该状态是什么，而无需直接测量量子比特。

"正是这一特性被我们用来读取量子比特。这种超导电流正是我们方案的核心所在，"这位研究人员指出。

微小电流如何揭示量子信息

要理解这项技术的工作原理，有必要了解物理学家如何用数学方式描述量子比特的状态。

一种常见的表示方法是"布洛赫球"（Bloch sphere），这是一种几何模型，其中单个量子比特的每一种可能纯态都对应于球面上的一个点。两个角度决定了该点的位置。

第一个角度描述了两个基本态各自对叠加态的贡献程度。第二个角度描述了它们的相对相位，即规定了量子分量之间如何相互对齐。这两项测量结果共同提供了确定量子比特状态所需的信息。

根据这项新研究，这两部分信息都可以从超导电流中提取出来。其稳定分量和振荡幅度揭示了两个基本态各自的贡献比例，而振荡的时序则提供了有关它们相位关系的信息。

"我们的研究表明，这些信息被编码在超导电流本身之中。超导电流有一个恒定分量和一个振荡分量。恒定分量的数值以及振荡的幅度揭示了叠加态中每个态（0和1）所占的比例，而振荡开始的时刻则揭示了它们之间的相位关系。因此，通过测量电流随时间的变化情况，就有可能重构出量子比特的初始状态，"埃格斯解释道。

这意味着电流本身有效地携带了存储在该系统中量子信息的特征标记。通过观察这种特征标记随时间的变化情况，研究人员就可以重构出量子比特的原始状态。

无需电压即可振荡的超导电流

该系统的另一个令人惊讶之处在于，电流的振荡无需外加电压即可发生。

通常情况下，在这类超导系统中产生振荡的超导电流需要施加电压，这种常见的现象被称为"交流约瑟夫森效应"。

研究人员在其安德烈夫量子比特中预测了一种不同的情形。在这里，电流的振荡自然源于量子比特自身的量子演化，无需任何外部电压来产生它。

"我们的系统产生的超导电流会像交流电那样随时间变化，但无需外加电压。正是量子比特状态自身的演化产生了这种振荡，"埃格斯说道。

这种行为非常重要，因为它将发生在极小尺度上的量子活动转化为了可被检测到的电信号。这种电流在量子态的微观世界与科学家能够测量的较大物理系统之间架起了一座桥梁。

而正是这种联系，使得所提议的读取技术得以实现。

用极灵敏的传感器探测量子态

研究人员设想将安德烈夫量子比特置于一个闭合的超导电路之中，使其超导电流能够持续循环流动。

在该电路旁边，会放置一个SQUID（超导量子干涉器件），这是一种能够探测极其微弱磁场的高灵敏度仪器。

每当有电流流动时，就会产生磁场。由于该系统中的超导电流是振荡的，它所产生的磁场也会随之随时间变化。

邻近的SQUID可以探测到这些微小的磁场变化，并利用这些变化来确定电路中循环电流的行为。由于该电流中包含有关量子比特量子态的信息，研究人员便可借此重构出该状态，而无需直接测量量子比特。

埃格斯将这种装置比作两个通过磁场相互作用的指南针。

"我们可以把量子比特看作一个指南针，把SQUID看作另一个指南针。电路中的电流产生磁场，而SQUID能够'感知'到这个磁场。由于两者之间的耦合非常微弱，测量仪器对量子比特造成的影响往往也非常小。"

传感器与量子比特之间的微弱相互作用尤为重要。它提供了一种在获取信息的同时，最大限度减少通常伴随量子测量而产生的干扰的方法。

几乎不产生干扰地读取量子信息

在量子物理学中，观测一个系统并不必然是一个无害的过程。测量仪器会与其试图测量的对象发生相互作用，而这种相互作用可能会改变该系统的行为。

这一根本性的难题曾让最早研究量子力学的学者们困惑不已，至今仍是量子测量中一个无法回避的固有特征。

所提议的技术并未完全消除这种效应。SQUID仍会与电路发生相互作用，产生少量可能影响量子比特的反馈。然而，研究团队的模拟结果表明，这种干扰可以被降低到一个微小到几乎可以忽略不计的程度。

"我们的方法并未消除量子测量中的根本性问题。但它可以逼近无损读取的极限，同时避免使用其他无损量子测量方案中所采用的辅助量子比特，"埃格斯指出。

这种方法还有望消除现有某些技术中存在的另一个复杂问题。由于研究人员无需在每次测量后将量子比特恢复到初始状态，他们便可以在状态发生变化的过程中进行重复观测。

这将使科学家能够跟踪量子比特随时间演化的过程，而不必仅通过独立的测量与重置周期来获取信息。

模拟结果准确率高达99.85%

为了研究该方法在脱离理想理论条件时能否奏效，研究人员进行了计算机模拟，旨在考虑真实实验中可能出现的各种缺陷因素。

这些计算纳入了测量噪声，以及探测线圈所引入的少量反馈。目的是确定在这些干扰存在的情况下，量子比特的状态是否仍能被准确重构出来。

结果令人振奋。根据所使用的测量次数不同，模拟结果给出的准确率分别为99.52%、99.81%和99.85%。

研究人员表示，这些数值均落在量子纠错方案所采用的标准阈值范围之内，而量子纠错方案正是用于管理量子信息处理过程中出现的错误。

这些发现表明，该方法有望在不增加辅助量子比特所带来的额外复杂性的情况下，实现高精度的量子态重构。

然而，这项技术尚未经过实验验证。目前的结果完全来自理论分析和计算机模拟，研究人员仍需确定一个实体装置能否实现相当的性能表现。

这能否让量子计算机变得更简单？

尽管尚缺乏实验验证，研究人员强调，他们的方案并不依赖于尚未被发明出来的技术。

相关计算所使用的参数均取自现有量子系统的真实特性，而SQUID传感器也早已是用于探测极其微弱磁场和电流的成熟工具。

目前仍待构建的，是实现所提议测量技术所需的具体组件布局方式。

"我们所使用的所有数值都是真实可行的。从原理上讲，这是可以实现的。事实上，我们在计算中使用的参数就来自现有系统。目前尚不存在的，是我们提出的那种几何结构，那种具体装置配置，"他论述道。

这使得该方案与那些必须等待科学家开发出全新材料或制造技术才能实现的理论构想有所不同。原则上，所需的组件已经存在，不过将它们组装成所提议的配置方式并验证其预测行为仍是重要的挑战。

这项研究带来了两个可能具有重要意义的进展。

从基础物理学的角度来看，它预测量子比特能够产生类似交流约瑟夫森效应的振荡超导电流，但无需外加电压，相反，这种振荡源自量子比特自身的相干量子演化。

从技术角度来看，这项研究表明，这些振荡可以作为量子比特内部状态的一种可测量特征标记。通过分析电流，研究人员便可在对系统造成极小干扰的情况下恢复出量子信息。

如果未来的实验证实了这些预测，这种方法可能会大幅简化安德烈夫量子比特的读取过程。省去辅助量子比特和重复重置步骤，将能够减少获取量子信息所需的设备和流程。

更为根本的是，这项工作指向了一种令人兴奋的可能性：隐藏在微观量子世界中的信息，或许可以通过量子系统自身产生的电流来获取，这为在不破坏量子态的前提下观测这些脆弱的量子态提供了一条颇具前景的新途径。