模拟表明，一种量子比特可通过自身电流揭示其状态，帮助研究人员以更小扰动和更少组件监测量子计算机。

与普通计算机中的比特类似，量子比特用标记为0和1的状态存储信息。量子比特还可制备为叠加态，即二者的量子组合。这些状态属于研究人员构建并控制的物理系统。在此项研究的设计中，该系统是一根与超导材料相连的微小导线。

量子计算的目标是利用量子行为，以高于传统计算机的效率执行特定计算。这要求控制：研究人员必须制备量子比特并有意识地改变其状态。与环境的非期望相互作用会破坏这些状态，测量量子比特也会改变它。

一项理论研究提出，通过一种量子比特自身产生的电流读取该量子比特。这可使研究人员以最小扰动跟踪其行为，且无需使用许多现有方法中的额外量子比特。

微小导线中的量子信息

安德烈夫（Andreev）量子比特将信息保存在超导材料之间形成的状态中；超导材料可无电阻地承载电流。其名称来自苏联物理学家亚历山大·安德烈夫（Alexander Andreev，1939–2023），他于1964年描述了正常材料与超导材料边界处的底层过程。

“在所考虑的系统中，该区域是一个量子点，即电子在空间上受限的纳米结构，形成于两侧连接超导材料的砷化铟（InAs）纳米线中。正是这一环境形成了表征 Andreev 量子比特的状态，”巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所（IFSC-USP）正教授 José Carlos Egues 解释说。

“在量子力学的传统表述中，投影测量会使系统取被测物理量所对应的一个状态。因此，若量子比特已制备为0和1的某一叠加态，直接测量它往往会破坏该叠加态，并因此破坏其所含信息，”Egues 说。

许多现有方法使用称为辅助量子系统（ancilla）的辅助量子系统。研究人员制备该辅助系统，将其与量子比特连接，把信息转移到其上，再对其进行测量，以尽可能保留原始量子比特。这些步骤增加时间和设备。“我们的策略不同。我们不把信息转移到辅助量子比特，而是试图从被研究量子比特自身产生的信号中获取信息，”Egues 说。

读取量子比特产生的信号

该量子比特将置于承载超电流的闭合超导电路中；超电流是无电阻流动的电流。计算预测，量子比特叠加态中各状态之间的干涉会使该电流的一部分发生振荡。“我们正是利用这一性质读取量子比特。超电流是我们方案的核心，”Egues 指出。

通常由外加电压引起这类振荡，即交流约瑟夫森效应（AC Josephson effect）。“我们的系统产生随时间变化的超电流，类似交流电但没有电压。正是量子比特状态的演化产生了该振荡，”Egues 说。

附近的超导量子干涉器件（SQUID）将作为探测器。这类仪器对弱磁场极其敏感。Egues 解释：“可将量子比特视为一个指南针，将 SQUID 视为另一个指南针。电路中的电流产生磁场，SQUID 感知该磁场。由于二者耦合非常弱，测量仪器对量子比特的影响往往很小。”

识别量子比特状态需要同时知道0与1的平衡及其相对相位，即两个分量的对齐方式。

“我们的研究表明，该信息编码在超电流本身。超电流包含恒定分量和涨落分量。恒定分量的数值与振荡幅度揭示叠加态中0和1各状态的比例，而振荡开始的时刻揭示二者之间的相位关系。因此，通过测量电流随时间的变化，可以重建量子比特的初始状态，”Egues 解释。

研究人员还可通过重复读取跟踪量子比特，而无需在每次测量后将其重置到初始状态。

该设计仍需实验验证

模拟包含测量噪声以及小探测线圈的反馈。结果表明，探测器影响可忽略，读取精度依测量次数分别为99.52%、99.81%和99.85%。这些数值处于量子纠错方案采用的标准阈值内。

“我们的方法并未消除量子测量的根本问题。但它可接近非破坏性读取的极限，同时避免使用其他非破坏性量子测量协议所采用的辅助量子比特（ancilla），”Egues 指出。

该工作发表于 Physical Review B Letters，由 Egues 与中国北京理工大学物理学院姚裕贵领导。SQUID 对极小电流和磁场的探测已经成熟，Egues 表示该方案不需要未来在材料或器件制造上的进展。

“我们使用的所有数值都是现实的。原则上，这可以实现。事实上，我们在计算中使用了现有系统的参数。尚未存在的是我们提出的那种几何结构和装置，”他表示。

参考文献：Xian-Peng Zhang, Chuanchang Zeng, Zhen-Biao Yang, Jose Carlos Egues and Yugui Yao, “Andreev qubit readout from dynamic interference supercurrent,” Physical Review B, 5 August 2026, DOI: 10.1103/6gkt-hghj.