耶鲁大学的物理学家观测到一种新型量子摩擦，这可能成为未来量子计算机实现稳健信息存储的基础。研究人员在数十年研究的基础上，通过实验展示了一种近30年前提出理论的过程。
研究结果发表于《科学》（Science）期刊，基于米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）实验室的工作。德沃雷是F.W. Beinecke应用物理学教授。
量子计算机仍处于研发阶段，它将依靠量子力学定律，以比经典计算机快得多（呈指数级加速）的速度解决某些问题。它们将在量子系统中存储信息，例如电子的自旋或人工原子的能级。这些存储单元称为“量子比特”，相当于经典计算机中的“比特”。比特可以处于0或1等状态，而量子比特则可以同时处于0和1状态。这一性质称为量子叠加；它是一种强大的资源，但也十分脆弱。确保量子信息的完整性是该领域面临的一项重大挑战。
论文第一作者、耶鲁大学博士后研究员扎基·莱赫塔斯（Zaki Leghtas）用以下比喻解释这种新型量子摩擦：
想象一座山丘，周围有两个盆地。如果你把一个球放在山顶，它会沿着坡面滚下，最后停在其中一个盆地里。滚动时，球与地面之间的摩擦会使它损失能量、速度减慢。因此，它会停在盆地底部。但摩擦也会让球在身后留下轨迹。观察山丘两侧，看看哪里草被压平、石头被推开，就能判断球滚进了右侧还是左侧的盆地。
这幅图展示了一个量子粒子在19微秒内的位置。深色表示粒子存在于指定位置的概率较高。图中绘制的是量子系统维格纳函数 W（⍺）随时间的演化，其中黑色对应1.0，白色对应0，蓝色对应–0.05。
然而，如果用量子粒子替代球，就会遇到一个问题。量子粒子可以同时处于多种状态，因此理论上，它可以同时占据两个盆地。但粒子滚下时，它与山丘之间的摩擦会对环境产生影响，而这种影响可以测量。使粒子停在底部的同一种摩擦，也会刻出轨迹。这会破坏叠加态，迫使粒子只能存在于其中一个盆地。
此前，研究人员已能利用这种摩擦将量子粒子困在特定盆地中。但如今，德沃雷实验室展示了一种新型摩擦——它会在粒子滚动时使其减速，却不会刻下表明粒子选择哪一侧的轨迹。这使粒子能够同时存在于左侧和右侧的盆地中。
这些“盆地”状态各自稳定且稳恒。量子粒子可能在盆地中移动，但微小扰动不会将它从盆地中驱逐。此外，这两种盆地状态的任何叠加也同样稳定且稳恒。这意味着它们可以用作存储量子信息的基础。
从技术上说，这称为二维量子稳态流形。德沃雷和莱赫塔斯指出，下一步是将这个二维流形扩展到四维——在这一景观中再增加两个盆地。这样，科学家就能冗余编码量子信息，并在流形内进行纠错。纠错是实现实用量子计算机所必须研发的关键组成部分之一。
其他作者包括耶鲁大学的史蒂文·图扎德（Steven Touzard）、伊万·波普（Ioan Pop）、安吉拉·寇（Angela Kou）、布赖恩·弗拉斯塔基斯（Brian Vlastakis）、安德烈·彼得连科（Andrei Petrenko）、卡特里娜·斯利瓦（Katrina Sliwa）、阿尼鲁德·纳拉（Anirudh Narla）、夏姆·尚卡尔（Shyam Shankar）、迈克尔·哈特里奇（Michael Hatridge）、马修·里戈尔（Matthew Reagor）、路易吉·弗伦齐奥（Luigi Frunzio）、罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf）和马兹亚尔·米拉希米（Mazyar Mirrahimi）。米拉希米还在巴黎-罗克昂库尔法国国家信息与自动化研究院（Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique Paris-Rocquencourt）任职。
本文由 耶鲁新闻合作发布。文章的发布并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
要及时了解议程动态， 请订阅我们的每周通讯。
作者：艾克·斯韦特利茨是耶鲁新闻的撰稿人。
图片：一幅插图显示，一名男子手持笔记本电脑，身上投射着二进制代码。路透社/Kacper Pempel。
