替代超导量子比特实现量子计算的高性能

　　双量子位磁通处理器的SEM图像。图片来源：鲍先生等
　　量子计算机是利用量子现象进行计算的设备，最终可以帮助比经典计算机更快、更有效地解决复杂的计算问题。这些设备通常基于称为量子比特或量子比特的基本信息单位。
　　阿里巴巴集团DAMO研究所下属的阿里巴巴量子实验室（AlibabaQuantumLaboratory）的研究人员最近开发了一种使用量子量子比特的量子处理器，到目前为止，在为行业团队开发量子计算机时，量子处理器并不是首选。他们发表在《物理评论快报》上的论文证明了锗在开发高性能超导电路方面的潜力。
　　这项工作是我们推进量子计算研究的关键一步，阿里巴巴量子实验室主任石耀云告诉Phys。org。当我们开始我们的研究计划时，我们决定探索氟托鎓作为未来量子计算机的构建块，偏离了transmon量子比特的主流选择。我们相信，这种相对较新的超导量子比特可能比transmon走得更远。
　　虽然过去的一些研究已经探索了基于量子比特的量子处理器的潜力，但其中大多数主要提供了概念证明，这些证明是在大学实验室中实现的。然而，为了使这些人造原子在真正的量子计算机中实现并与transmons（即广泛使用的量子位）竞争，它们需要在单个设备中在各种操作中表现出高性能。这正是这项工作的关键目标。
　　Fluxonium量子位有两个特性，使其与transmons区分开来：它们的能量水平更加不均匀（即非谐波），并且它们使用一个大电感来取代transmon中使用的电容器。至少在理论上，两者都有助于fluxonium的优势，即对误差更具弹性，从而导致更好的相干性，即更长时间地保存量子信息，以及更高的保真度，即实现基本运算的准确性。
　　人们可以想象形成梯子的能量水平，领导这项研究的邓春清解释说。能量间隙很重要，因为每个量子指令都有一个音高或频率，当音高与它们的能隙匹配时，它会触发两个水平之间的转换。
　　从本质上讲，当能级之间的前两个能隙闭合时，就像它们在transmon中一样，前两个能级（即0和1状态）之间过渡的调用也会意外地触发第二级和第三级之间的跃迁。这可能会使状态超出有效的计算空间，从而导致所谓的泄漏错误。另一方面，在磁通锗中，第二和第三能量步进之间的距离更大，这降低了泄漏误差的风险。
　　原则上，锗的设计很简单：它由两个基本元件组成一个用大电感分流的约瑟夫森结，实际上，这与transmon相似，这是一个用电容器分流的约瑟夫森结，Chunqing说。约瑟夫森交界处是首先创造无谐波的神奇组成部分。大电感器通常由大量（在我们的工作中为100个）约瑟夫森接合点实现，就像在我们的案例中一样。
　　用电感代替电感器代替电容器，可以消除电极产生的孤岛和电子电荷波动引起的电荷噪声源，从而使锗更防错。然而，这是以牺牲更苛刻的工程为代价的，因为有大量的约瑟夫森交汇点。
　　如果栅极使用较短的时间，Fluxonium在高相干性方面的优势可以大大放大，以实现高栅极保真度。这种快速门确实是通过研究人员展示的可调性功能实现的。更准确地说，0和1状态之间的能隙或频率可以迅速改变，从而使两个量子位可以快速地共振，即具有相同的频率。共振是两个量子位一起进化，以实现量子计算机最关键的构建块2量子位门。
　　在最初的测试中，Chunqing和他的同事设计的量子平台被发现平均单量子位门保真度达到99。97，双量子位门保真度高达99。72。这些值与以前研究中量子处理器获得的一些最佳结果相当。除了单量子位和双量子位门外，该团队还以稳健的方式集成了数字量子计算机所需的其他基本操作复位和读出。
　　由这个研究小组开发的2量子位处理器可以为在量子计算中使用fluxonium开辟新的可能性，因为它的表现明显优于过去引入的其他概念验证处理器。他们的工作可以激励其他团队开发类似的设计，用量子比特代替transmon。
　　我们的研究为广泛适应的transmon引入了另一种选择，Chunqing说。我们希望我们的工作能够激发更多探索锗的兴趣，从而释放其全部潜力，实现明显更高的保真性能，从而显著降低实现容错量子计算的开销。这意味着，对于相同的计算任务，更高保真度的量子计算机可能需要的量子比特数量要少得多。
　　从本质上讲，Chunqing和他的同事们表明，基于fluxonium的处理器可以使用相同数量的物理量子位来执行比基于transmon的处理器更强大的计算。在接下来的研究中，该团队希望扩大他们的系统，并尝试使其具有容错能力，同时保持高保真度。
　　我们现在计划验证我们的假设，即fluxonium确实是一个比transmon更好的量子位，然后使用超高保真flxuonium量子位向社区的下一个重要里程碑迈进，实现容错，Yaoyun补充道。我们相信氟通锗有可能得到更广泛的认可，因为我们甚至还没有接近高保真操作的任何理论极限。继续推动这个方向很重要。
　　更多信息：FengBao等人，Fluxonium：用于高保真操作的替代量子比特平台，物理评论快报（2022）。DOI：10。1103PhysRevLett。129。010502
　　期刊信息：物理评论快报