浙江
国际科研团队近日提出一种全新的量子信息读取方法，有望在不显著干扰量子系统的情况下获取量子比特状态，为未来量子计算机的监测与控制提供更高效的技术路径。研究表明，一类名为“安德烈夫量子比特”的量子器件能够通过自身产生的电流信号暴露其内部状态，从而减少传统测量过程中对量子信息的破坏。
在经典计算机中，比特只能取0或1两种状态，而量子计算中的量子比特不仅可以表示0和1，还能够处于两者叠加形成的量子态。正是这种特性，使量子计算机有望在特定任务上远超传统计算机。但与此同时，量子态极其脆弱，环境干扰和测量行为本身都可能改变其状态并导致信息丢失。
此次研究聚焦于安德烈夫量子比特。这类量子比特建立在超导材料之间形成的特殊量子态之上。研究团队设计的系统由一根极细的砷化铟纳米线构成，纳米线两端连接超导材料，中间形成一个量子点，用于限制电子活动空间，而安德烈夫量子比特的状态正是在这一微观环境中形成的。
研究负责人之一、巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所教授若泽·卡洛斯·埃盖斯表示，在传统量子力学框架下，直接测量量子比特往往会使其坍缩为某个确定状态，从而破坏原本保存的信息。因此，当前许多量子计算方案都会引入辅助量子比特作为“中介”，先将信息转移到辅助量子比特上，再对后者进行测量，以尽量减少对目标量子比特的影响。
不过，这种方法需要额外的设备和操作步骤，增加了系统复杂度。研究团队提出了不同思路，即直接利用目标量子比特自身产生的信号来读取信息，而无需借助辅助量子比特。
根据理论计算，该量子比特被置于一个封闭的超导电路中，电路内存在无电阻流动的超电流。研究发现，当量子比特处于叠加态时，不同状态之间的量子干涉会使部分超电流产生周期性振荡。这种振荡信号正是研究人员获取量子信息的关键。
通常情况下，这类振荡现象需要通过施加电压才能产生，即著名的交流约瑟夫森效应。而此次研究提出的系统则无需外加电压，振荡完全来源于量子比特自身状态的演化过程。这意味着量子比特会主动“释放”自身状态信息。
为了探测这一微弱信号，研究人员设计采用SQUID（超导量子干涉仪）作为读取装置。SQUID能够探测极其微弱的磁场变化。研究团队形象地表示，可以将量子比特和SQUID看作两个彼此靠近的指南针，量子比特中的电流会产生磁场，SQUID则对这种磁场变化进行感知。由于两者之间耦合极弱，因此测量装置对量子比特本身产生的扰动也非常有限。
进一步分析显示，量子比特状态的全部关键信息都被编码在超电流中。超电流既包含恒定部分，也包含振荡部分。恒定电流值以及振荡幅度可以揭示量子态中0和1所占的比例，而振荡开始的时间则反映两种状态之间的相位关系。通过记录电流随时间变化的规律，研究人员能够重建量子比特最初的量子状态。
这种方案还有一个重要优势，即允许研究人员连续追踪量子比特的演化过程，而无需在每次测量后将其重新初始化，从而更方便地观察量子系统动态行为。
研究团队在模拟实验中加入了测量噪声以及探测线圈反馈等现实因素。结果显示，测量精度可分别达到99.52%、99.81%和99.85%，具体取决于测量次数。这些指标已经达到当前量子纠错技术普遍采用的精度要求。
研究人员指出，该方案并未从根本上解决量子测量不可避免会产生影响这一基本问题，但能够将这种影响降至极低水平，同时摆脱传统非破坏性测量方案中对辅助量子比特的依赖。
这项研究由巴西圣保罗大学与中国北京理工大学科研人员共同完成，相关成果已发表于《Physical Review B》。研究团队表示，目前用于检测超微弱电流和磁场的SQUID技术已经相当成熟，因此实现这一方案并不需要等待新的材料或制造技术突破。研究中采用的各项参数均源于现实系统，唯一尚未真正建成的是研究团队提出的具体装置结构和实验布局。
研究人员认为，只要完成相应实验验证，这种通过量子比特自身超电流读取量子信息的新方法，有望成为未来量子计算机实现高精度、低干扰监测的重要技术基础。
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