量子计算机是基于量子力学原理进行运算的设备，利用量子叠加和纠缠等特性，能够在某些特定任务上超越传统计算机。然而，量子态在执行计算时容易受到退相干现象的影响，这种现象导致量子相干性的丧失，进而使系统转变为经典力学状态。
来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和以色列量子机器公司的研究团队最近开展了一项实验，旨在深入探讨如何改善环境以防止量子态的退相干，从而提升量子计算硬件的性能。他们在《自然物理学》上发表的论文中，展示了如何利用量子西拉德引擎（将信息转化为能量的机制）实现量子比特环境的两级系统超极化。
“量子超导电路面临的主要挑战之一是保持量子态的相干性，”参与研究的Ioan Pop和Martin Spiecker在接受Phys.org采访时表示。这一现象通过能量松弛时间T1和消相时间Tphi来量化。在进行T1能量弛豫测量时，我们发现不同初始化序列下的量子位弛豫表现出差异，这与Gustavsson等人在2016年《科学》杂志上的观察结果相似。这促使我们设计并实现了论文中提出的量子西拉德热机序列。”
西拉德引擎类似于麦克斯韦守护进程，这是一种假想的机器或生物，能够探测并响应单个粒子或分子的运动。然而，量子西拉德引擎并不是在经典粒子上运行，而是在单个量子比特（即量子位）上进行操作。
Pop、Spiecker及其同事意识到，他们所创造的西拉德引擎能够导致量子比特环境的超极化。此外，他们惊讶地发现这种环境的弛豫时间非常缓慢，由两级系统（TLS）构成，其寿命比量子位长几个数量级。
Pop和Spiecker解释道：“通过持续测量量子位并翻转其状态以稳定在状态1（或0），引擎本质上利用从量子位获得的信息来加热（或冷却）其环境。”“通过长时间运行引擎，我们可以使量子比特的环境处于超极化状态，远离热平衡。此外，通过监测量子比特的弛豫，我们能够了解环境的特性以及量子比特与环境之间的相互作用。”
通过他们的量子西拉德引擎，研究人员揭示了超导氟态量子比特与一组TLS之间的耦合，这些TLS表现出超过50毫秒的延长能量松弛时间。该系统可以冷却至低温恒温器的20 mK以下，从而减少量子比特数量，并加热以创建约80%量子比特数量的环境。
“之前隐藏的TLS环境被证明是量子比特的主要损失机制，而几乎矛盾的是，TLS本身实际上是无损的，”Pop和Spiecker表示。
“这是一个至关重要的微妙之处，因为这意味着量子比特的T1独立于TLS种群，基于TLS饱和度提高T1松弛时间的策略是不可行的。最后但并非最不重要的是，我们的实验揭示了一个迄今未知的TLS环境，其弛豫时间比通常测量的介电TLS长了几个数量级。”
Pop、Spiecker及其同事最近的研究可能具有重要的实际意义。例如，他们的发现强调了在超导电路退相干模型中纳入环境记忆效应的必要性。这一关键见解有助于改进超导量子硬件的量子纠错模型，从而减轻量子处理器中噪声的负面影响。
Pop和Spiecker补充道：“一个悬而未决的问题是这些长寿命TLS的物理性质，它们可能是电子自旋，或者是被捕获的准粒子（破碎的库珀对），或者是表面吸附的分子，甚至是完全不同的东西。”“我们目前正在进行实验，以测量这些TLS的光谱密度，并获取一些关于它们性质的信息。当然，最终目标是从我们的环境中去除所有TLS，以提高量子位的相干性。在我们的例子中，这将使量子比特的T1增加四倍。”
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希望本篇文章《一种能实现两能级系统超偏振的量子西拉德机》能对你有所帮助！
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