相干时间(T1、T2)
量子比特很脆弱。你刚把它写入一个精致的量子态,外部世界就开始把它往普通的状态推回去,而你精心写入的量子信息也随之慢慢流失。相干时间回答的是一个很简单的问题:量子比特能保持“量子性”多久,才被这种流失搅乱?你可以把它想象成一枚立在边缘旋转的硬币,保持着一个精确的倾角。相干时间衡量的就是它能维持这个倾角多久,直到杂散的振动让它摇晃、最后倒下来。
这里有两个时钟。T1 是能量弛豫时间:被激发到 |1> 的量子比特倾向于把这份能量倾倒给周围环境,再滑回 |0>,就像热的物体逐渐冷却到室温一样。T2 是退相干(失相位)时间,它追踪的是更微妙的东西。量子比特的叠加态在 |0> 和 |1> 之间携带着一个相对相位(也就是 alpha 和 beta 这两个振幅),而干涉——真正让量子算法奏效的那个机制——正是寄居在这个相位里。随机的环境噪声会不断抖动这个相位,直到它变得毫无意义。T2 通常比 T1 短,因为任何能翻转能量的扰动同样会扰乱相位,但额外的噪声也可以单独把相位破坏掉。
在实践中,这两个时间就是每次计算要花的“预算”。每道门的运行都要占用一些时间,所以相干时间与门时间的比值,大致决定了你能把多少次操作串接起来,才会让答案淹没在噪声里。在今天的机器上,这份预算很小,这正是我们仍停留在 NISQ 时代、还无法运行大规模容错算法的核心原因。更长的相干时间并不是故事的全部(门的精度和量子比特数量同样重要),但它确实是所有人都在与之搏斗的硬性物理极限之一。
一个粗略的经验法则:用相干时间除以一道门所需的时间,就能估算出在退相干占主导之前,你大约能运行多少次操作。
T1 和 T2 是通过反复实验测得的统计平均值,而不是任何单次运行的固定截止时间;它们会随时间漂移,即使在同一块芯片上,不同量子比特之间也各不相同。