阿尔托大学的研究人员通过简单的实验装置揭示了量子比特中的热能损失，揭示了量子计算机中超导量子比特相干性的损失。

这项研究涉及物理学家和国际团队，专注于高性能量子计算至关重要的超导约瑟夫森结，并揭示了热耗散及其对量子比特效率的影响。

测量超导量子比特相干性损失

芬兰阿尔托大学物理学家与国际研究团队合作，从理论和实验上证明，超导量子比特相干性损失可以直接作为量子比特保持电路中的热耗散进行测量。

最先进的量子计算机和超灵敏探测器的核心是超导约瑟夫森结，即量子比特（或量子位）的基本元件。顾名思义，这些量子比特及其电路是非常高效的电导体。

了解量子位元的热耗散

“尽管制造高质量量子比特取得了快速进展，但仍有一个重要问题尚未解决：热耗散是如何发生以及在哪里发生的？”阿尔托大学Pico研究组的博士后研究员兼该研究的第一作者巴扬·卡里米表示。

“我们基于我们团队在量子热力学方面的专业知识，开发了很长时间来测量这种损耗的方法，”领导Pico研究小组的阿尔托大学教授尤卡·佩科拉补充说。

随着物理学家在完善量子设备周围技术的过程中继续追求更高效的量子比特，这些新数据使研究人员能够更好地了解量子比特的衰变方式。在量子计算方面，相干时间更长的量子比特能够执行更多操作，从而实现经典计算环境中无法完成的更复杂的计算。

追踪热辐射造成的能量损失

超导电流的传输是通过约瑟夫森效应实现的，即两个紧密间隔的超导材料可以在不施加电压的情况下支持电流。通过这项研究，之前未归因的能量损失可以追溯到起源于量子比特并沿引线传播的热辐射。

想象一下在海滩上篝火取暖的人——周围的空气仍然寒冷，但人们仍然能感觉到火发出的热量。卡里米说，这种辐射同样会导致量子位元的耗散。

之前在电路中放置了数百个约瑟夫森结的大型阵列上进行过实验的物理学家已经注意到了这种损失。就像传话游戏一样，其中一个结似乎会进一步破坏线路中剩余部分的稳定性。

简单的实验设置取得了巨大的成果

卡里米、佩科拉和团队最初在阵列中设置了这么多连接点来进行实验，随后他们开始逆向追踪，实验越来越简单。他们的最终实验设置是：观察调整单个约瑟夫森结上的电压所产生的影响。通过在这个连接点旁边放置一个超灵敏的热吸收器，他们能够在非常广泛的频率范围内（高达100千兆赫）被动地测量这个连接点在每次相变时发出的非常微弱的辐射。

该团队的理论工作是与马德里大学的同事合作完成的。这项研究于8月22日在《自然·纳米技术》杂志上发表。

参考：“约瑟夫森辐射的测辐射热检测”，作者：Bayan Karimi、Gorm Ole Steffensen、Andrew P. Higginbotham、Charles M. Marcus、Alfredo Levy Yeyati 和 Jukka P. Pekola，2024 年 8 月 22 日，《自然·纳米技术》。DOI: 10.1038/s41565-024-01770-7

这项工作是与美国华盛顿大学的InstituteQ杰出教授查尔斯·马库斯和丹麦哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所合作完成的。实验中使用的设备是在芬兰国家微纳米技术研究中心OtaNano的洁净室中制造的。芬兰研究委员会也通过芬兰量子技术中心（QTF）卓越中心和THEPOW联盟，为这项工作提供了支持。