麻省理工學(xué)院的新型Fluxonium量子比特電路能以前所前所未有的精度實(shí)現(xiàn)量子運(yùn)算

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

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

01這一進(jìn)展使量子糾錯離現(xiàn)實(shí)更近了一步

未來，量子計(jì)算機(jī)也許能夠解決對當(dāng)今最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)來說過于復(fù)雜的問題。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，量子糾錯碼必須能夠比計(jì)算錯誤發(fā)生得更快。

然而，當(dāng)今的量子計(jì)算機(jī)還不夠強(qiáng)大，無法在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)這種糾錯。

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

他們利用的是一種相對較新的超導(dǎo)量子比特，被稱為 "fluxonium"，其壽命比常用的超導(dǎo)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(yùn)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(zhǔn)確率超過 99.9%，單量子比特門的準(zhǔn)確率達(dá)到 99.99%。此外，研究人員利用可擴(kuò)展的制造工藝在芯片上實(shí)現(xiàn)了這一架構(gòu)。

"構(gòu)建大型量子計(jì)算機(jī)首先要有強(qiáng)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(kuò)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(xué)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(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的參謀科學(xué)家兼團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(jì)算機(jī)科學(xué)教授、物理學(xué)教授、量子工程中心主任、EQuS負(fù)責(zé)人、電子研究實(shí)驗(yàn)室副主任；以及麻省理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)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(guān)于Fluxonium量子比特的啟示

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，門是對比特（一系列 1 和 0）進(jìn)行的邏輯運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算。量子計(jì)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(jìn)行的邏輯運(yùn)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(yùn)算。

保真度衡量的是在這些門上執(zhí)行的量子操作的準(zhǔn)確性。具有最高保真度的門是至關(guān)重要的，因?yàn)榱孔诱`差會以指數(shù)形式累積。在大規(guī)模系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)十億次量子運(yùn)算時(shí)，一個看似微小的錯誤很快就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。

在實(shí)踐中，人們會使用糾錯碼來實(shí)現(xiàn)如此低的錯誤率。然而，要實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過到這一閾值之外，可以減少實(shí)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(jì)算機(jī)。另一種類型的超導(dǎo)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(shí)間。

相干時(shí)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(shí)間的操作或運(yùn)行多長時(shí)間的算法。

"量子比特的壽命越長，其運(yùn)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(dāng)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(qiáng)大的高保真門。在他們的架構(gòu)中，F(xiàn)luxonium 量子比特能夠達(dá)到超過一毫秒的相干時(shí)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(kuò)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(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT-LL）的密切合作下開發(fā)出來的，該實(shí)驗(yàn)室擁有設(shè)計(jì)和制造可擴(kuò)展超導(dǎo)量子比特技術(shù)的專業(yè)知識。

Serniak說："這次實(shí)驗(yàn)是我們所說的'一個團(tuán)隊(duì)模式'的典范：EQuS 小組與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)量子比特團(tuán)隊(duì)之間的密切合作。"值得在此特別強(qiáng)調(diào)的是麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室制造團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)--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(qiáng)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(qiáng)的耦合會導(dǎo)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(shí)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(yuǎn)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(jìn)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(xiàng)任務(wù)。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(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)還有很多工作要做，但首先要有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閾值的高質(zhì)量量子運(yùn)算"。

在這些成果的基礎(chǔ)上，Ding、Sung、Kannan、Oliver 等人最近成立了一家量子計(jì)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(yīng)用構(gòu)建可行的量子計(jì)算機(jī)。

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

他補(bǔ)充說，雖然這樣的計(jì)算機(jī)可能還需要 10 年的時(shí)間，但這項(xiàng)研究是朝著正確方向邁出的重要一步。下一步，研究人員計(jì)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(xiàng)工作開創(chuàng)了耦合兩個fluxonium量子比特的新架構(gòu)。所實(shí)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(dǎo)地位的量子比特Transmons的門保真度相當(dāng)。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(guān)重要，"阿里巴巴全球研究機(jī)構(gòu)大摩研究院量子實(shí)驗(yàn)室量子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鄧春慶說，他沒有參與這項(xiàng)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(xiàng)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