巧避海森堡不确定性原理！量子比特读出技术重磅突破

阿尔托大学研究人员用微测辐射热计替代传统参数放大器，以更少的附加噪声实现非侵入式量子比特测量，显著降低了读出设备所需的功耗，为未来高计数量子比特系统提供了全新的可扩展解决方案，有望推动量子计算实现飞跃。

艺术插图：利用如右侧所示的微测辐射热计，感测如左侧所示量子比特发出的微弱信号。

1927 年，德国物理学家海森堡提出不确定性原理。他指出，粒子的位置和动量不可能同时被确定：位置的不确定性越小，动量的不确定性就越大，反之亦然。所以，用位置、速度等瞬时变化的经典物理量，来描述量子理论中粒子的运动状态，是不可行的。

无法准确得知信号的位置和动量，这无疑让物理学家们抓狂，也让量子比特测量充满挑战。

在量子比特测量中，“放大”和“噪声”，时刻处于对立共存的状态：既然噪声永远存在，那么就必须放大需要探测的信号，让它能够盖过噪声。

通常情况下，研究人员使用参数放大器，放大并读出从量子比特接收到的微弱信号，但这过程中势必会产生额外噪声，如果没有其他辅助保护手段，就会导致量子退相干。

前不久，阿尔托大学研究人员研制出一种新的测量方法，能够避开海森堡不确定性原理的影响，实现超精密测量量子比特。

研究人员使用了一种全新的测量思路：微测辐射热计。由于微测辐射热计测量的是功率或光子数，而非电流与电压，所以能够通过微创检测接口，巧妙感测量子比特发出的微波光子，不受现有读出设备量子噪声的影响，提供量子比特的“清晰快照”。此外，小于同类放大器约 100 倍的外观尺寸，更赋予其作为测量设备的超强潜力。

“一想到量子至上的未来，不难想象，届时数千甚至数百万的高量子比特计数可能会司空见惯。对于大规模扩展来说，仔细评估每个组件的占用空间是绝对必要的。我们在《自然电子》论文中已经表明，我们的纳米测辐射热计可以被认真考虑作为传统放大器的替代品。”阿尔托大学教授、QCD 研究小组负责人 Mikko Möttönen 表示：“这些辐射热计足够精确，可以单次读数，也不会增加量子噪声，且消耗的功率比经典放大器少 10000 倍。”

QCD 小组实验中，他们取得了 61.8% 的单次保真度，读出持续时间约为 14 微秒，而通过校正量子比特的能量弛豫时间，保真度跃升至 92.7%。单次保真度是一种重要指标，物理学家用它来确定设备在单次测量中检测量子比特状态的准确度。

在 QCD 小组的博士研究员 András Gunyhó 看来，通过微小调整，比如将辐射热计的材料从金属换成石墨烯，辐射热计有望在 200 纳秒内达到所需的 99.9% 单次保真度，因为石墨烯的热容更低，能够快速检测到量子比特的微小能量变化。

此外，通过精简除辐射热计和芯片外的非必要组件，不仅能够在读出保真度上做更大改进，还能让测量设备的体积变得更小，进而使其扩展到更高的量子比特计数变得更为可行。

参考资料：

1、Nanotechnology Boosts Quantum Computing: Ultra-Precise Qubit Readout Technique Developed

2、Single-shot readout of a superconducting qubit using a thermal detector