量子比特的“记忆力”——相干时间

 

通常来说，一个人记忆力越好，他能整合、处理的信息就越多。传说鱼的记忆力只有7秒！这可能是它们没有统治世界的原因。

 

在量子计算中，量子比特所能“记住”的量子状态越久，其所能进行的计算次数也就越多。量子计算的“记忆力”就可以类比为相干时间。

 

什么是相干时间？

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相干时间(Coherence Times)是量子比特质量的重要指标之一，它代表了量子比特可以维持叠加态的时间长度，相干时间越长，量子计算机所完成的计算就越多。

简单来说，相干时间也是量子计算机可用于计算的“工作时间”。目前，离子阱量子计算在实现长相干上有着明显优势。

 

长相干难在哪里？

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多数量子计算路线中的量子比特都极易受周遭环境（温度、噪声、甚至是宇宙射线）干扰，想让他们维持长时间的叠加和纠缠状态，就如同让一群活泼爱动的小猫排列齐整一样，是一件极具挑战的事情。

 

 

制造出理想的量子比特也极具挑战，因为存在一些物理上的限制，比如材料的性质和制造工艺会导致量子比特不完美。这就像一群乖巧的猫中间出现一只活泼的猫，甚至是狗，会极大的影响相干时间。

 

量子计算中的关键技术指标T1和T2

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探讨量子计算的相干时间时，我们常会关注两个参数：T1时间和T2时间（T1 Time and T2 Time）。它们是看待量子比特工作时间的不同方式。

T1时间决定了你能在多长时间内区分量子比特的状态1和状态0。

当一个量子比特被激发到高能级（激发态）时，类似经典比特从0到1。在经典比特中，1态能够比较容易的维持，但在量子比特中会在一定时间内返回到较低能态。这个时间就是能量弛豫时间。在T1时间内，量子比特会从高能态返回到低能态，即从1变回0。这意味着量子比特会失去携带的信息。

而T2时间则代表着能够在叠加态中保持相位信息的时间，如果T2时间较短，比特叠加态可能会演化为另一个叠加态，甚至不再是叠加态，从而丧失了携带的信息。

简而言之，T1时间和T2时间都是关于量子比特性能的时间参数，它们分别描述了量子比特在能级和相位上保持稳定性的时间。对于量子计算来说，较长的T1和T2时间是量子计算追求的目标，因为这意味着量子比特可以在较长时间内保持稳定的状态，从而提高计算的准确性和可靠性。

 

不同量子计算体系的相干时间？

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在不同的量子体系中，人们为了提高量子比特的"记忆力"使用了许多方法，而离子阱体系在相干时间上有着天然的优势，并不断刷新着单量子比特相干时间的纪录。

部分量子计算路线的相干时间比较

离子阱量子计算中的离子通常悬浮在真空中，受到较少的外部环境扰动。相比于其他物理实现方案，离子阱的真空中离子受到的环境噪声较弱，与环境隔离度较高。而离子本身来源于自然界，不受加工工艺和杂质的影响，这也使得离子阱量子计算能维持较长的相干时间。

 

ION I离子阱量子计算机的真空腔与阱系统

近期，国仪量子离子阱量子计算平台ION I正式交付国内某高校，用户将基于该平台进行量子计算、量子模拟与量子算法等领域的研究。据公开报道显示，该平台为国内首台实现商业化交付的离子阱量子计算平台。

 

ION I离子阱量子计算平台可操控比特数目2~12任意可选，单比特门保真度超99.97%，两比特门保真度超99.7%，相干时间T2*大于100 ms。该系统可稳定囚禁离子数目超90+，一维离子阱晶体数目数小时不变云。多项核心技术指标达到国际一流水准。

ION I离子阱量子计算机交付