教育点点谈2024年11月12日发布:中国科学家通过fluxonium超导量子比特实现高保真度操作

最近，阿里巴巴达摩院量子实验室团队在 arXiv 上发表了超导量子计算的相关论文[1]，并在 APS March Meeting 2022 上公布了最新成果。该团队通过设计一个基于 fluxonium 的量子处理器，在实现高相干性量子比特的同时，集成了初始化、读出和通用量子逻辑门的计算能力，实现了 99.97% 的平均单比特门保真度和 99.72% 的两比特门保真度，取得了此类比特全球最佳水平。在超导量子计算领域，该工作是新型比特平台首次实现跟主流 transmon 比特平台接近的量子操作精度，对主流方案形成了有力的挑战。

使用超导电路大量电子中的量子行为进行计算

超导量子计算中的量子比特由超导电路组成。在超导体中，所有电子在运动过程中保持步调一致，即在超导状态里所有电子具有同样单一性质的状态，并且该状态可被单一量子态来描述。这种电路中的量子态既可以用来储存量子信息，也可以被操纵以实现量子逻辑门，进而实现量子计算。

现有主流超导量子比特是 transmon。其中 transmon 把电路中有/无电子震荡激发（plasmon）的两种状态作为量子比特的“0”和“1”，其结构简单到只需要一到两个约瑟夫森隧穿结，并且对电噪音不敏感。而 fluxonium 工作原理就像它的名字中含有“fluxon”磁通量子一样，将一个超导环形电路中的磁通量子作为比特的“0”和“1”。

另据悉，fluxonium 利用磁场作为量子信息储存的方式，不仅对电噪音不敏感，并且它对电介质的损耗的敏感度也相较 transmon 大大降低，所以它是一个对外界噪音干扰有着更强抵御性的量子比特。同时，fluxonium 是更加接近两能级的量子比特，在实现高速的“0”和“1”之间的操控时，由于它更不容易跃迁到“0”和“1”以外的其它能级，故能做出更高精度的量子操作。

图 | fluxonium 超导量子芯片原理图（来源：arXiv）

高保真度门操作是突破口

尽管 fluxonium 具备一些直观优势，但将高相干性与快速操作相结合，实现高保真度的逻辑门操作、初始化和数据读取仍存在较大挑战。为此，该团队需要解决下述问题：一是克服两比特门错误率高的瓶颈，在多种错误叠加的情况下找到最优解以进行综合优化，以实现最好的两比特门操作。二是通过集成化工作首次在 fluxonium 里实现几个最重要的量子计算基本操作，包括比特初始化、比特读取和实现通用的单比特门和两比特门操作。这些问题的解决，为继续扩展该平台、实现更复杂的量子计算打下了良好基础。

由于这是一个系统性工作，研究人员在芯片的设计和制备、操作的实现和标定方面，做了大量优化。在设计上，从最基本的电路噪声模型出发，对芯片的参数空间做整体优化，平衡了不同噪声和错误对精度造成的影响；在制备方面，他们开发出新工艺，以便在同一个晶圆上均匀地制备大量约瑟夫森结，集成大量约瑟夫森结（每个 fluxonium 比特由多于 100 个约瑟夫森结构成）的比特的良品率；在测量工作中，他们实现了一个新型初始化方案，解决了 fluxonium 自己不能被动初始化的问题。

同时，他们首次在 fluxonium 超导量子比特中实现了一个名为 iSWAP 也就是虚交换门的两比特门，而且很好地利用了 fluxonium 类二能级系统的特点去实现门操作，使得它超过了所有之前的 fluxonium 操作精度。在验证和编译量子门上，后续该团队在 iSWAP 门的基础上实现了 SQiSW（用时比 iSWAP 低一半），并提出了验证 SQiSW 门的表征手段精度和高效的将量子算法编译成 SQiSW 门操作的编译算法。

图 | 单量子比特保真度的随机基准测试（来源：arXiv）

据悉，门操作时间-比特相干时间的比值，是量子门保真度的决定性因素。其中比特相干时间指的是量子信息平均在量子比特中能够保存的时间。这意味着，在相干时间内能完成的门操作数量越多，一般来讲门的保真度越高。虽然在该工作中，比特的相干的时间并不是 fluxonium 型比特里面最长的，但是研究团队通过加快门的操作速度，实现了超越以往的高保真度两比特门。目前，达摩院团队正在努力提升相干时间，未来有信心进一步提升门操作的保真度。

图 | 两量子位门架构方案和基准测试结果（来源：arXiv）

量子计算需要科学与工程的联手并行

对于量子计算的未来应用潜力，达摩院量子实验室科学家邓纯青总结如下：量子技术可解决一些和量子本身相关的模拟，比如药物合成的模拟、材料合成的模拟。这些模拟工作可以帮助相关领域的人更好地探索新的材料和药物。目前，这些工作很难在超级计算机上进行，而在量子计算机上面，由于被计算对象本身具备量子属性，这类问题可被更高效地解决。他表示，量子计算能够将这些问题解决，其背后原因主要在于算力的指数级提升。

此外，该团队是唯一把 fluxonium 能作为量子比特类型的工业界团队，之所以选择 fluxonium 是基于他们对比特背后物理层面的思考。让人欣慰的是经过几年的积累，他们终于能把上述优势体现出来。

据介绍，邓纯青是量子实验室成立以来的主要科学家之一，其本科毕业于北京大学信息科学技术学院，博士毕业于加拿大滑铁卢大学量子计算研究所。谈及在达摩院量子实验室的工作，他表示在工业界做研究，既有纯粹科学的探索，也有工程化的项目。并且，量子计算正处于一个重要时间点，许多科学问题正在转变为工程问题，而这恰可以发挥业界团队跨学科、专业化的优势。

谈及后续计划，该团队表示本次论文只是一个开始，其目标是实现容错的量子计算系统，也就是既有高精度、又有多比特并兼容量子纠错的量子计算系统。虽然本次工作已经很好地展现了出色的逻辑门精度，但要想让所有错误都被抑制，还需实现量子纠错，这是一个漫长的过程。因此，他们仍将继续提升门操作精度和比特数量，也将集成更多系统操作技术以期实现容错的量子计算。

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参考：

1、Bao F, Deng H, Ding D, et al. Fluxonium: an alternative qubit platform for high-fidelity operations.

arXivpreprintarXiv:2111.13504 (2021).