一只能稳住好几分钟的量子猫

量子计算机只有能够纠正自身的错误才会有用。这需要大量硬件——除非错误是不对称的。如果某一类错误几乎从不发生，纠错码就只需对付另一类错误，从而可以简单得多。

所谓的猫量子比特（cat qubits）正是为不对称而设计的。它们把信息存储在一个容纳微波场的超导电路中，表现为该场的两种相反的振荡。把0变成1——即比特翻转——意味着从一种振荡跳到另一种。场中的光子越多，两个态相距越远：比特翻转随光子数增加而呈指数级减少，而另一类错误——相位翻转——只按比例增长。

两个能谷，一个弱点

让猫保持原位有两种方法。“耗散型”猫被一个有损耗的伙伴不断推回它的两个态；它们已经能保持超过100秒。“Kerr”猫则处在一个由驱动非线性电路形成的能量地形中，那里有被势垒隔开的两个能谷。它们的优势是控制速度快。它们的弱点是：仅仅几毫秒后就会发生比特翻转——最近的一项改进达到了3.6毫秒，仍差五个数量级。

原因在于没有任何东西能移除杂散能量。噪声把猫踢进其能谷内的激发态，而从那里滑到另一个能谷就容易得多。更糟的是，在强驱动下，量子比特通常会与其读出电路发生共振，严重破坏这种保护。

把读出电路当作排泄口

以色列魏茨曼科学研究所的Sergey Hazanov、Mikhail Svintsov及其同事把这个问题反过来利用。挖出两个能谷的那种非线性相互作用，同样把每个能谷内部的激发与读出谐振腔联系起来，而读出谐振腔是一个不断把光子泄漏到测量线路中的电路。

当某个激发的能量与驱动和读出谐振腔之间的能量差相匹配时——这是一种“自参量”（autoparametric）共振——该激发就会以读出光子的形式被转交出去，随后逸出。0或1本身则不受影响。第二个排泄口出现在位于输出线路上的滤波器处。

团队直接测量了这一过程：在共振时，第一激发态以读出电路所允许的最快速度排空，更高的激发态则以级联方式排空。他们的芯片——硅上的铝，冷却到10毫开——不需要额外的冷却驱动，也不需要额外的电路元件。

七个数量级

在远离共振处，比特翻转仍然在几毫秒内发生。在共振附近，保护时间急剧上升：

• 在读出共振处为519毫秒（22.4个光子）；
• 在两个共振之间为15.4秒（27.3个光子）；
• 在滤波器共振处，100秒的测量时间窗口内，所存储的态没有可测量的衰减（33.8个光子），即比特翻转时间超过100秒。

通过在重复读出的长时间记录中统计罕见的翻转——15小时内62次翻转——团队估算出最后这个工作点的比特翻转时间为448 ± 57秒，比以往的Kerr猫高出五个数量级以上。

比特翻转随光子数呈指数下降是Kerr猫的一个标志性预言，但此前从未被观测到。这一次看到了：每增加一个光子，比特翻转时间就乘以1.82 ± 0.06，从7.4个光子时的52微秒增加到33.8个光子时的448秒，约七个数量级，而且没有趋于平缓的迹象。

快速的门，温和的读出

如果量子比特无法再被使用，保护就毫无价值。对冷却后的量子比特进行一次基本旋转只需8纳秒，而让旋转驱动全程保持开启也没有缩短比特翻转时间（开启时0.65秒，不开启时0.64秒）。用4微秒读出量子比特时，引起翻转的读出仅占1,000万次中的5次。

另一类错误

代价是相位翻转。它遵循由单光子损耗决定的预期极限，约为T₁/(2n̄)，其中T₁是电路的光子寿命（约8微秒），n̄是光子数。在24.2个光子时，这只猫抵御比特翻转的时间达3.55秒，但抵御相位翻转的时间只有113纳秒：偏置约为3,000万比1。

作者指出了缩小这一差距的两条途径。55.7微秒的光子寿命已在其他地方得到演示，约为这里的七倍。而更冷的电路会留下更少的杂散激发，有可能用更少的光子实现同样的保护——从而带来更少的相位翻转。