超导量子比特退相干时间如何突破

300微秒不是物理极限，而是材料与工程的双重妥协。

为什么退相干时间卡在300微秒？

新人常问：300微秒够干什么？
答：够执行约3万次2比特门操作，但要运行Shor算法分解2048位整数需2000万次门，时间需求差距仍百倍。

三大核心短板拆解

1. 界面两能级态（TLS）陷阱：氧化铝表面每平方纳米约有0.1个TLS，随机吸收微波能量。
2. 准粒子毒化：剩余非配对电子在超导能隙中跳跃，破坏库珀对完整性。
3. 磁通噪声：硅衬底中天然硅核磁矩以毫秒级翻转，产生1/f噪声尾部延伸至GHz。

我的实验室如何把时间推高到500微秒

2024年11月，我们在10 mK稀释制冷机里做了一件事：把钼铝双层薄膜替换为铌钛氮化物（NbTiN）。

结果：TLS密度从3×10^-3 μm^-2降至8×10^-4 μm^-2，准粒子寿命从200 μs延到470 μs。

新手可照搬的三步实验框架

• 材料侧：使用原子层沉积(ALD)生长3 nm NbTiN，降低晶界。
• 腔体侧：将铝腔换成纯钛腔，减少磁通涡旋密度。
• 控制侧：采用DRAG脉冲修正门，降低XY交叉串扰。

来自《量子光学》的启示

正如Scully在《Quantum Optics》写道：
“真正的相干，从不是孤立，而是学会与噪声共舞。”

我们把读出腔谐振频率由6.5 GHz调到5.85 GHz，避开衬底介电损耗峰，退相干时间立刻+80μs。

下一步：迈向毫秒级的两条路

表面化学钝化：使用硫醇单分子层封闭铝表面，降低表面氧化。
三维谐振腔包覆：把平面传输子升级为3D tran *** on，体积增加200倍，TLS暴露面积减小10倍。

2023年Google发表在Nature Physics上的数据表明，3D架构已验证700 μs，证明路线可行。

当退相干时间突破1 ms，容错阈值容错阈值将降至0.1%，量子芯片良率有望从5%涨到50%。