量子物理学在小范围内设定了支配宇宙的定律，利用量子现象的能力可能会促使像量子计算机这样的机器，它们被预测能够比传统计算机更快地执行某些计算。构建量子处理器的一个主要问题是实时跟踪和控制量子系统是一项困难的任务，因为量子系统极其脆弱：不小心操纵这些系统会在最终结果中引入重大错误。阿尔托大学一个研究小组的新研究工作可能会带来精确的量子计算机。研究人员报告表示：他们在一个定制设计的叫做transmon电路中控制量子现象。将transmon芯片冷却到绝对零度以上千分之几的温度就会产生量子态，芯片的行为就像一个人造原子。研究人员感兴趣的量子特性之一是，transmon的能量只能取特定值，即能级。
博科园-科学科普：能量级别就像梯子上的台阶：爬梯子的人必须占据一个台阶，不能在两个台阶之间徘徊。同样，transmon能量只能占据能级的设定值。在电路上闪烁的微波诱导transmon吸收能量并爬上梯子的梯级。由阿尔托大学应用物理系高级讲师Docent Sorin Paraoanu领导的研究小组于2019年2月8日在《科学进展》上发表了他们的研究成果。以前，这是可能的，只有非常温和和缓慢的调整微波信号控制设备。在这项新工作中，一个额外的微波控制信号以一种非常特殊的方式形成，允许快速、精确地改变能级。成功地证明，通过不断修正系统的状态，可以更快地、高保真地驱动这一过程。
包含transmon器件的超导电路可用于量子态控制。图片：Dong Lan and Sorin Paraoanu
谢尔盖·达尼林博士是这篇论文的共同作者之一，他通过“爬梯子”的类比，描述了量子控制——使用类似于transmons的芯片来构建量子计算机的过程。“要得到一个有用的量子系统，需要想象一边爬梯子一边拿着一杯水——如果你做得很顺利，它就会工作，但如果你做得太快，水就会溢出来，当然，这需要一种特殊的技能。研究人员发现，在量子世界中，快速爬上梯子而不洒出任何水的诀窍是一次小心地跳过两个梯级。这种能量阶梯的捷径是通过使transmon同时吸收两个微波光子来实现。自然法则对任何量子能量转换的速度都有限制，即使有捷径，这种限制被称为“量子速度限制”。
令他们高兴的是，阿尔托大学的科学家们发现，新方法导致能量水平的变化，其速度接近理论计算的极限。控制量子系统中高速能量传输的更广泛影响也令该团队兴奋不已。量子计算和量子模拟应用具有潜在的高度重要性，它们需要快速和高度准确的操作，如状态制备和量子门的创建。帕劳阿努博士也看到了其他的机会：我们希望更深入地了解与能量转移相关的过程，这些过程在自然界和我们周围的技术中都是普遍存在。例如，电动汽车的电池充电速度有什么基本限制？在快速发展的量子技术领域，这种新的控制方法可能会有多种应用。
博科园-科学科普｜研究/来自: 阿尔托大学
参考期刊文献:《Science Advances》
DOI: 10.1126/sciadv.aau5999
博科园-传递宇宙科学之美
