硬體與量子位元

同調時間(T1、T2)

量子位元很脆弱。你才剛把它寫入一個精緻的量子態,外部世界就開始把它往普通的狀態推回去,而你精心寫入的量子資訊也隨之慢慢流失。同調時間回答的是一個很簡單的問題:量子位元能保持「量子性」多久,才被這種流失攪亂?你可以把它想像成一枚立在邊緣旋轉的硬幣,保持著一個精確的傾角。同調時間衡量的就是它能維持這個傾角多久,直到雜散的振動讓它搖晃、最後倒下來。

這裡有兩個時鐘。T1 是能量弛豫時間:被激發到 |1> 的量子位元傾向於把這份能量傾倒給周圍環境,再滑回 |0>,就像熱的物體逐漸冷卻到室溫一樣。T2 是去同調(失相位)時間,它追蹤的是更微妙的東西。量子位元的疊加態在 |0> 和 |1> 之間攜帶著一個相對相位(也就是 alpha 和 beta 這兩個振幅),而干涉——真正讓量子演算法奏效的那個機制——正是寄居在這個相位裡。隨機的環境雜訊會不斷抖動這個相位,直到它變得毫無意義。T2 通常比 T1 短,因為任何能翻轉能量的擾動同樣會擾亂相位,但額外的雜訊也可以單獨把相位破壞掉。

在實務上,這兩個時間就是每次計算要花的「預算」。每道閘的運行都要佔用一些時間,所以同調時間與閘時間的比值,大致決定了你能把多少次操作串接起來,才會讓答案淹沒在雜訊裡。在今天的機器上,這份預算很小,這正是我們仍停留在 NISQ 時代、還無法運行大規模容錯演算法的核心原因。更長的同調時間並不是故事的全部(閘的精度和量子位元數量同樣重要),但它確實是所有人都在與之搏鬥的硬性物理極限之一。

#gates achievable ~ T2 / t_gate

一個粗略的經驗法則:用同調時間除以一道閘所需的時間,就能估算出在去同調佔主導之前,你大約能運行多少次操作。

T1 和 T2 是透過反覆實驗測得的統計平均值,而不是任何單次運行的固定截止時間;它們會隨時間漂移,即使在同一塊晶片上,不同量子位元之間也各不相同。

又稱
T1T2relaxation timedephasing time