麻省理工學院的新型Fluxonium量子比特電路能以前所前所未有的精度實現(xiàn)量子運算

來源：半導體芯科技編譯

這張藝術的效果圖展示了研究人員的超導量子比特架構(gòu)，紅色為fluxonium量子比特，藍色為它們之間的傳子耦合器。

01這一進展使量子糾錯離現(xiàn)實更近了一步

未來，量子計算機也許能夠解決對當今最強大的超級計算機來說過于復雜的問題。要實現(xiàn)這一目標，量子糾錯碼必須能夠比計算錯誤發(fā)生得更快。

然而，當今的量子計算機還不夠強大，無法在商業(yè)上實現(xiàn)這種糾錯。

在克服這一障礙的道路上，麻省理工學院的科學家們展示了一種新型超導量子比特架構(gòu)，這種架構(gòu)可以在量子比特（量子計算機的構(gòu)件）之間執(zhí)行操作，其精確度遠遠超過科學家們以前所能達到的水平。

他們利用的是一種相對較新的超導量子比特，被稱為 "fluxonium"，其壽命比常用的超導量子比特要長得多。它們的結(jié)構(gòu)涉及兩個Fluxonium量子比特之間的特殊耦合元件，使它們能夠以高度精確的方式執(zhí)行邏輯運算，稱為門。它抑制了一種不必要的背景交互，這種交互可能會在量子操作中引入錯誤。

這種方法使得雙量子比特門的準確率超過 99.9%，單量子比特門的準確率達到 99.99%。此外，研究人員利用可擴展的制造工藝在芯片上實現(xiàn)了這一架構(gòu)。

"構(gòu)建大型量子計算機首先要有強大的量子比特和門。我們展示了一個極具前景的雙量子比特系統(tǒng)，并闡述了它在擴展方面的諸多優(yōu)勢。我們的下一步是增加量子比特的數(shù)量，"23 歲的 Leon Ding 博士說，他曾是工程量子系統(tǒng)（EQuS）小組的物理學研究生，也是這一架構(gòu)論文的第一作者。

Leon Ding 與 EQuS 小組的博士后 Max Hays、22 歲的 Youngkyu Sung 博士、22 歲的 Bharath Kannan 博士（現(xiàn)任Atlantic Quantum大西洋量子公司首席執(zhí)行官）、麻省理工學院林肯實驗室的參謀科學家兼團隊負責人 Kyle Serniak 以及資深作者 William D. Oliver 共同撰寫了這篇論文。奧利弗，亨利-埃利斯-沃倫（Henry Ellis Warren）電子工程與計算機科學教授、物理學教授、量子工程中心主任、EQuS負責人、電子研究實驗室副主任；以及麻省理工學院和麻省理工學院林肯實驗室的其他人員。該研究成果于 9 月 25 日發(fā)表在《物理評論 X》雜志上。

02關于Fluxonium量子比特的啟示

在經(jīng)典計算機中，門是對比特（一系列 1 和 0）進行的邏輯運算，可以實現(xiàn)計算。量子計算中的門也可以這樣理解：單量子比特門是對一個量子比特進行的邏輯運算，而雙量子比特門則是取決于兩個相連量子比特狀態(tài)的運算。

保真度衡量的是在這些門上執(zhí)行的量子操作的準確性。具有最高保真度的門是至關重要的，因為量子誤差會以指數(shù)形式累積。在大規(guī)模系統(tǒng)中進行數(shù)十億次量子運算時，一個看似微小的錯誤很快就會導致整個系統(tǒng)失效。

在實踐中，人們會使用糾錯碼來實現(xiàn)如此低的錯誤率。然而，要實現(xiàn)這些編碼，操作必須超過一個 "保真度閾值"。此外，將保真度遠遠超過到這一閾值之外，可以減少實施糾錯碼所需的開銷。

十多年來，研究人員主要使用Transmon量子比特來構(gòu)建量子計算機。另一種類型的超導量子比特，稱為Fluxonium量子比特，則是最近才出現(xiàn)。Fluxonium量子比特已被證明比Transmon量子比特具有更長的壽命或相干時間。

相干時間是度量一個量子比特在丟失所有信息之前能執(zhí)行多長時間的操作或運行多長時間的算法。

"量子比特的壽命越長，其運算的保真度就越高。這兩個數(shù)字是聯(lián)系在一起的。但目前還不清楚，即使是在Fluxonium量子比特本身性能相當好的情況下，如果你能在它們身上執(zhí)行良好的門，那么它們的性能也會很好，"Ding說。

Ding和他的合作者們首次找到了一種方法，可以在一種架構(gòu)中使用這些壽命更長的量子比特，這種架構(gòu)可以支持極其強大的高保真門。在他們的架構(gòu)中，F(xiàn)luxonium 量子比特能夠達到超過一毫秒的相干時間，比傳統(tǒng)的Transmon 量子比特長約 10 倍。

Hays說："在過去的幾年里，已經(jīng)有幾次證明Fluxonium在單量子比特水平上優(yōu)于Transmons，"我們的工作表明，這種性能提升也可以擴展到量子比特之間的相互作用。

Fluxonium量子比特是在與麻省理工學院林肯實驗室（MIT-LL）的密切合作下開發(fā)出來的，該實驗室擁有設計和制造可擴展超導量子比特技術的專業(yè)知識。

Serniak說："這次實驗是我們所說的'一個團隊模式'的典范：EQuS 小組與麻省理工學院林肯實驗室超導量子比特團隊之間的密切合作。"值得在此特別強調(diào)的是麻省理工學院實驗室制造團隊的貢獻--他們開發(fā)了構(gòu)建100多個約瑟夫森結(jié)的密集陣列的能力，專門用于Fluxonium和其他新的量子比特電路。"

03創(chuàng)新的量子結(jié)構(gòu)

他們的新穎架構(gòu)包括一個兩端有兩個Fluxonium量子比特的電路，中間有一個可調(diào)諧的傳子耦合器將它們連接在一起。與直接連接兩個Fluxonium量子比特的方法相比，這種
fluxonium-transmon-fluxonium (FTF)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更強的耦合。

FTF 還能最大限度地減少量子操作過程中在背景中發(fā)生的不必要的相互作用。通常情況下，量子比特之間更強的耦合會導致更多這種持續(xù)的背景噪聲，即所謂的靜態(tài) ZZ 相互作用。但 FTF 架構(gòu)可以解決這個問題。

抑制這些不必要的相互作用的能力以及Fluxonium量子比特更長的相干時間，是研究人員能夠?qū)瘟孔颖忍亻T保真度提高到 99.99% 和雙量子比特門保真度提高到 99.9% 的兩個因素。

這些門保真度遠高于某些常見糾錯碼所需的閾值，并能在更大規(guī)模的系統(tǒng)中進行錯誤檢測。

"量子糾錯通過冗余建立系統(tǒng)彈性。通過增加更多的量子比特，我們可以提高系統(tǒng)的整體性能，前提是這些量子比特都足夠'優(yōu)秀'。試想一下，要讓一屋子的幼兒園小朋友完成一項任務。奧利弗解釋說："那是一片混亂，增加更多的幼兒園小朋友也不會讓情況變得更好。"然而，幾個成熟的研究生一起工作，其表現(xiàn)會超過任何一個人，這就是閾值概念。雖然要構(gòu)建可擴展的量子計算機還有很多工作要做，但首先要有遠遠超過閾值的高質(zhì)量量子運算"。

在這些成果的基礎上，Ding、Sung、Kannan、Oliver 等人最近成立了一家量子計算初創(chuàng)公司 Atlantic Quantum。該公司試圖利用 fluxonium 量子比特為商業(yè)和工業(yè)應用構(gòu)建可行的量子計算機。

"這些成果立竿見影，可能會改變整個領域的狀況。這向社會展示了另一條前進之路。Kannan說："我們堅信，這種架構(gòu)，或者類似的使用Fluxonium量子比特的架構(gòu)，在實際構(gòu)建有用的容錯量子計算機方面大有可為。

他補充說，雖然這樣的計算機可能還需要 10 年的時間，但這項研究是朝著正確方向邁出的重要一步。下一步，研究人員計劃在擁有兩個以上連接量子比特的系統(tǒng)中展示 FTF 架構(gòu)的優(yōu)勢。

"這項工作開創(chuàng)了耦合兩個fluxonium量子比特的新架構(gòu)。所實現(xiàn)的門保真度不僅是有記錄以來最好的fluxonium，而且與目前占主導地位的量子比特Transmons的門保真度相當。更重要的是，該架構(gòu)還提供了參數(shù)選擇的高度靈活性，這對于升級為多量子比特通子處理器至關重要，"阿里巴巴全球研究機構(gòu)大摩研究院量子實驗室量子實驗團隊負責人鄧春慶說，他沒有參與這項工作。對于我們這些相信 "fluxonium"是比 "Transmon"更好的量子比特的人來說，這項工作是一個激動人心的里程碑。它不僅將推動通量銨處理器的發(fā)展，還將更廣泛地推動量子比特的發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅