量子计算机是利用量子力学现象进行计算的机器，通过利用量子力学资源，如状态叠加和纠缠，最终可以在某些任务上超越经典计算机。然而，他们所依赖的执行计算的量子态很容易受到一种被称为退相干的现象的影响，这意味着量子相干性的丧失和向经典力学的转变。
德国卡尔斯鲁厄理工学院和以色列量子机器公司的研究人员最近进行了一项实验，旨在更好地了解如何改善环境以防止量子态的退相干，从而提高量子计算硬件的性能。在他们发表在《自然物理学》上的论文中，他们展示了使用量子西拉德引擎(一种将信息转化为能量的机制)来实现量子比特环境的两级系统超极化。
“量子超导电路最大的挑战之一是保持量子态的相干性，”进行这项研究的两位研究人员Ioan Pop和Martin Spiecker告诉Phys.org。这是通过能量松弛时间T1和消相时间Tphi来量化的。在进行T1能量弛豫测量时，我们注意到不同初始化序列的量子位弛豫不相同，类似于Gustavsson等人在2016年发表在《科学》杂志上的观察结果。这促使我们设计和实现了论文中提出的量子西拉德热机序列。”
西拉德引擎类似于所谓的麦克斯韦守护进程，这是一种假想的机器或生物，可以探测到单个粒子或分子的运动并做出反应。然而，量子西拉德引擎不是像麦克斯韦守护程序那样在经典粒子上运行，而是在单个量子比特(即量子位)上运行。
Pop、Spiecker和他们的同事意识到，他们创造的西拉德引擎会导致量子比特环境的超极化。此外，他们惊讶地观察到这种环境的弛豫时间非常慢，由两级系统(tls)组成，其寿命比量子位长几个数量级。
Pop和Spiecker解释说:“通过连续测量量子位并翻转其状态以稳定状态1(或0)，引擎本质上使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，我们可以了解环境的性质和量子比特与环境的相互作用。”
通过他们的量子西拉德引擎，研究人员能够揭示超导氟态量子比特和一组TLSs之间的耦合，这些TLSs表现出超过50毫秒的延长的能量松弛时间。该系统可以冷却以将量子比特数量减少到低温恒温器的20 mK温度以下，并加热以创建一个量子比特数量约为80%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说。
“这是一个至关重要的微妙之处，因为它意味着量子比特T1独立于TLS种群，并且基于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到目前为止未知的TLS环境，与通常测量的介电TLS相比，其弛豫时间长了几个数量级。”
Pop、Spiecker和他们的同事最近的工作可能具有宝贵的实际意义。例如，他们的发现强调了在超导电路退相干模型中包括环境记忆效应的必要性。这一关键见解可以帮助改进超导量子硬件的量子纠错模型，这些模型可以帮助减轻量子处理器中噪声的不利影响。
Pop和Spiecker补充说:“其中一个悬而未决的问题是这些长寿命TLSs的物理性质，它可能是电子自旋，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，或者是完全不同的东西。”“我们目前正在进行实验，以测量这些TLSs的光谱密度，并获得一些关于它们性质的知识。当然，最终目标是从我们的环境中移除所有tls并提高量子位相干性。在我们的例子中，这将使量子比特T1增加四倍。”
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