左边的电路图说明了查尔姆斯研究团队如何通过向嵌入振荡器的控制系统发送微波脉冲（摆动箭头）来打开和关闭不同的操作。研究人员使用该系统生成了所谓的立方相态，这是一种用于量子纠错的量子资源。右边的蓝色区域是所谓的维格纳负区域——这是该状态量子性质的明显特征。图片来源：查尔姆斯理工大学/Timo Hillman

量子计算机的潜力目前受到权衡问题的阻碍。能够执行复杂操作的量子系统对错误和噪声的容忍度较低，而对噪声保护更强的系统更难计算，计算速度也更慢。

现在，来自瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组创建了一个独特的系统来应对这一困境，从而为更长的计算时间和更强大的量子计算机铺平了道路。

为了实现量子计算机在社会中的影响，量子研究人员首先需要处理一些主要障碍。到目前为止，由电磁干扰或磁波动等引起的错误和噪声会导致敏感的量子比特失去量子态，从而失去继续计算的能力。因此，量子计算机可以处理问题的时间到目前为止是有限的。

此外，为了使量子计算机能够解决复杂的问题，量子研究人员需要找到一种控制量子态的方法。就像没有方向盘的汽车一样，如果没有有效的控制系统来操纵量子态，量子态可能会被认为是无用的。

然而，该研究领域正面临着一个权衡问题。另一方面，允许有效纠错和更长计算时间的量子系统缺乏控制量子态的能力，反之亦然。但现在，查尔姆斯理工大学的一个研究小组已经设法找到了一种方法来应对这一困境。

“我们创建了一个系统，可以以前所未有的速度在多态量子系统上实现极其复杂的操作，”查尔姆斯理工大学202Q实验室负责人、该研究的资深作者Simone Gasparinetti说。

虽然经典计算机的构建块（比特）的值为 1 或 0，但量子计算机最常见的构建块（量子比特）可以同时具有值 1 和 0（以任意组合形式）。这种现象被称为叠加，是使量子计算机能够同时执行计算的关键因素之一，因此具有巨大的计算潜力。

然而，物理系统中编码的量子比特对错误极为敏感，这导致该领域的研究人员寻找检测和纠正这些错误的方法。查尔默斯研究人员创建的系统基于所谓的连续可变量子计算，并使用谐波振荡器（一种微观组件）对信息进行线性编码。

该研究中使用的振荡器由在绝缘基板上图案化的超导材料薄条组成，以形成微波谐振器，该技术与最先进的超导量子计算机完全兼容。

该方法以前在该领域是已知的，并且偏离了双量子态原理，因为它提供了更多的物理量子态，从而使量子计算机更好地抵御错误和噪声。

“把量子比特想象成一盏蓝色的灯，从量子力学上讲，它可以同时打开和关闭。相比之下，连续可变量子系统就像无限的彩虹，提供无缝的颜色梯度。这说明了它能够访问大量状态，提供比量子比特的两种状态更丰富的可能性，“查尔姆斯理工大学量子技术研究员、该研究的主要作者Axel Eriksson说。

尽管基于谐波振荡器的连续可变量子计算可以改进纠错，但其线性特性不允许执行复杂的操作。

已经尝试将谐波振荡器与超导量子系统等控制系统相结合，但受到所谓的克尔效应的阻碍。克尔效应反过来扰乱了振荡器提供的许多量子态，抵消了所需的效应。

通过在振荡器内放置一个控制系统设备，查尔默斯的研究人员能够规避克尔效应并解决权衡问题。该系统提供了一种解决方案，该解决方案保留了谐波振荡器的优点，例如实现容错的资源效率路径，同时能够高速精确控制量子态。

该系统在发表在《自然通讯》上的一篇文章中进行了描述，并可能为更强大的量子计算机铺平道路。

“我们的社区经常试图让超导元件远离量子振荡器，而不是扰乱脆弱的量子态。在这项工作中，我们挑战了这种范式。通过在振荡器的核心嵌入一个控制设备，我们能够避免扰乱许多量子态，同时能够控制和操纵它们。

“因此，我们展示了一套以非常高的速度执行的新型浇口操作，”Gasparinetti说。

更多信息：Axel M. Eriksson 等人，通过驱动激活的原生立方相互作用对玻色子模式的通用控制，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-46507-1