这篇文章名为《Autonomously stabilized entanglement between two superconducting quantum bits》，由Shankar等人撰写，发表在2013年12月26日的《Nature》期刊上（DOI: 10.1038/nature12802）。文章详细探讨了一种自我稳定量子纠缠的方法，旨在通过使用自适应反馈机制，解决量子比特（qubit）中由于去相干导致的量子态不稳定问题，进而为量子计算机的实现提供理论支持与实践基础。

学术背景

量子计算被认为是计算机科学的未来发展方向，其核心在于量子比特的操作与操控。量子计算机需要在极低的温度下，利用量子叠加态和量子纠缠来处理信息。然而，由于量子系统极其脆弱，量子比特在长时间内保持其量子态（即量子纠缠）存在很大挑战，主要由去相干效应导致。因此，量子错误修正成为了量子计算的一个重要课题。现有的量子错误修正码（quantum error correction codes）主要是为了防止去相干错误对量子态的破坏，但其实现一直是量子计算中面临的巨大挑战。

该研究的出发点是，如何通过量子系统自身的反馈机制来维持量子态的稳定，尤其是在实际环境中量子比特会受到噪声和去相干效应的影响。Shankar等人提出了一种新的方法，结合自适应反馈机制和特殊设计的量子系统，成功地实现了两个超导量子比特之间的贝尔态（Bell state）纠缠的自我稳定。

研究方法

文章中的实验设计基于超导量子电动力学（circuit quantum electrodynamics，CQED）架构，使用了两个超导transmon量子比特。这些量子比特通过约瑟夫森结（Josephson junction）与一个3D矩形铜腔耦合，铜腔被用作耗散储存器。该装置的工作原理是通过量子电路中的反馈机制，自我纠正量子比特的去相干现象，从而实现贝尔态的稳定。

1. 实验设计与量子比特的准备： 该实验中使用了两颗可单独操作的量子比特（分别称为Alice和Bob）。每个量子比特都被设计为与一个3D矩形铜腔耦合，腔体的本征频率被精确控制，以确保量子比特能够与腔体之间发生适当的能量交换。实验中，量子比特通过分散耦合与铜腔相互作用，铜腔被设计为偏向于通过50Ω传输线进行衰减，这种设计确保了在操作过程中能够有效监控量子比特的状态。

2. 自适应反馈机制： 研究中的关键创新之一是自适应反馈机制的引入。与传统的基于测量的反馈系统不同，这种自适应反馈机制利用了量子系统的耗散性（dissipation）来反向补偿去相干效应。在实验中，作者设计了六个连续驱动信号，通过对量子比特和腔体之间的耦合进行精细调节，构建了一个反馈回路。当系统处于贝尔态时，反馈回路通过调节量子比特和腔体之间的耦合，保持量子系统在稳定状态下，防止去相干效应的干扰。

3. 数据采集与分析： 实验数据通过两比特量子态层析术（quantum state tomography）获得，采用高保真度的单次测量技术进行量子态的验证。实验中通过对量子比特进行适当的单量子比特旋转，再进行多次联合读出，得到了量子比特在不同时间点的状态信息。这些数据被用来分析系统是否稳定保持在目标贝尔态。

4. 反馈过程与稳定机制： 反馈过程分为两个部分：第一部分是量子态的测量过程，第二部分是基于测量结果的量子比特旋转。通过腔体的驱动信号和量子比特的旋转驱动，系统不断调整自身的量子态，以确保其保持在目标贝尔态。在这个过程中，系统的反馈回路起到了至关重要的作用。反馈信号通过腔体的出射功率（即光子的数目）来指示系统的状态，并根据此信息实时调整量子比特的状态。

主要结果

1. 贝尔态的稳定性： 该研究表明，采用自适应反馈机制后，两个超导量子比特之间的贝尔态在实验中得以稳定。实验结果显示，量子比特的稳定性较传统方案显著提高，贝尔态的保真度达到67%，明显超过50%的纠缠阈值。此外，通过进一步优化测量过程和进行后选择，保真度可提高到77%。

2. 实验中的重要数据： 实验中通过量子态层析术获得了系统的量子态信息，分析表明，系统的量子比特在稳定后，主要处于目标贝尔态。而在实验过程中，系统的其他量子态（如|gg⟩和|ee⟩）的出现概率较低，表明实验结果符合预期。通过对腔体输出信号的监控，可以进一步提高量子态的保真度，最终实现了77%的保真度。

3. 纠缠态的实现： 通过对量子比特进行反馈控制，实验实现了持续的量子纠缠，尤其是在去相干效应较强的环境下，系统仍能稳定保持在纠缠状态中。这一结果为量子计算的实现提供了重要的理论依据。

结论与意义

该研究的重要性在于其通过自适应反馈机制实现了超导量子比特之间的长时间纠缠稳定，这是量子计算中的一项重大突破。传统的量子错误修正方法往往依赖外部反馈系统，而该研究采用了内建反馈回路，使得系统能在无需复杂外部测量和校正的情况下保持量子态稳定。这一方法不仅降低了实验的复杂性，也为未来大规模量子计算机的实现奠定了基础。

此外，该研究还提出了一种新的量子纠缠稳定方法，能够广泛应用于不同的量子物理系统中。这为量子信息处理和量子计算领域提供了新的思路和工具，尤其是在超导量子计算领域，其应用潜力巨大。

研究亮点

1. 自适应反馈机制的创新： 通过结合耗散性和自适应反馈机制，该研究首次实现了超导量子比特之间的贝尔态纠缠的长期稳定。

2. 高保真度的量子态稳定： 研究中通过优化实验装置与反馈回路，实现了高达77%的量子态保真度，超越了传统量子纠缠实验中的水平。

3. 广泛的应用前景： 该实验方案不仅适用于超导量子比特，也可以应用于其他类型的量子物理系统，具有广泛的实验与理论价值。

该研究为量子计算领域的纠缠态稳定性提供了新的解决方案，并为量子计算机的构建提供了重要的技术支持。