在芬蘭阿爾托大學一個安靜的實驗室裏，一個研究人員團隊正在徹底改變量子計算的未來。在量子計算和設備小組（ Quantum Computing and Devices，QCD）的一項開創性研究中，有望解決量子計算中最令人困惑的挑戰之一：量子比特的精確和可擴展的測量。正如他們最近在《自然電子》上發表的論文中所詳述的那樣，這一發展引入了使用納米輻射計（nanobolometers）進行量子比特讀數，標志著相比傳統參數放大器的重大飛躍。

量子計算具有解決經典計算機無法企及的複雜問題的潛力，依靠量子比特來存儲和處理信息。與經典計算的二進制比特不同，由于量子力學原理，量子比特可以同時存在于多個狀態中。然而，准確測量這些量子比特是一項艱巨的任務，因量子噪聲和當前技術的物理局限性而變得複雜。

使用納米輻射計，這是一種傳統上用于天體物理學的設備，可以檢測由于吸收輻射而導致的溫度微小變化。QCD團隊重新利用了這項技術，展示了其前所未有的高保真單發量子比特讀數（single-shot qubit readout）的能力，這是一個在高精度的單個測量中確定量子比特狀態的過程。這種方法不僅回避了參數放大器固有的量子噪聲問題，而且還提供了一個可擴展的解決方案，對量子計算系統的未來擴展至關重要。

傳統方法的局限性

從曆史上看，量子比特測量在很大程度上依賴于參數放大器，這些設備可以放大來自量子比特的弱信號，使其可測量。然而，隨著量子系統的擴展，這些放大器的大小和功耗變得令人望而卻步。更重要的是，由于海森堡不確定性原理，它們引入了的量子噪聲，幹擾了測量值。

納米輻射計解決方案

該研究的關鍵創新在于它使用納米輻射計，納米輻射計測量功率或光子數，而不是放大信號，從而避免了量子噪聲問題。這些設備比放大器設備小得多，耗電量也少得多，正面解決了可擴展性挑戰。在他們的實驗設置中，研究團隊實現了61.8%的單發讀出保真度，讀出持續時間約爲14微秒。令人印象深刻的是，在糾正量子比特的能量放松時間（energy relaxation time）時，這種保真度躍升至92.7%。

超越量子噪聲

這項研究最引人注目的方面之一是具有更高保真度測量的潛力。該團隊預計，只需進行小幅調整，包括優化芯片設計和采用石墨烯等材料，即可在短短200納秒內達到令人垂涎的99.9%保真度。量子比特測量的這種精度和速度以前是不可想象的，代表了量子計算能力的根本變化。

量子計算的範式轉變

這項研究不僅僅是爲量子比特測量提供了一種新的工具；它從根本上改變了量子計算的格局。通過提供可擴展的高保真測量技術，阿爾托大學的團隊正在爲量子計算機在複雜性和能力上的增長鋪平道路。納米輻射計的使用可以構建具有數千甚至數百萬個量子比特的量子系統，在計算能力和效率方面開辟新天地。

前方的道路

雖然結果很有希望，但從實驗室到實際應用的旅程充滿了挑戰。向石墨烯等材料的過渡以及芯片設計的改進，以適應大規模的納米輻射計，將需要時間和進一步的創新。然而，潛在的回報是巨大的。未來的量子計算機可以解決目前我們無法企及的密碼學、材料科學和複雜系統模擬問題。

此外，這一突破是進一步跨學科研究的燈塔，將量子物理學與材料科學和工程相結合，以克服量子計算面臨的障礙。隨著該領域的發展，納米輻射計引入的可擴展性、效率和精度對于將量子計算從理論承諾過渡到實際現實至關重要。