中科大潘建伟团队发现了一种新型高性能量子比特

光子盒研究院出品

根据最近提交的arXiv论文[1]，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波、彭承志等人组成的研究团队展示了一种新的高性能超导量子处理器的量子计算机辅助设计。

具体来说，他们使用变分量子本征求解器(VQE)模拟约瑟夫森结阵列量子电路，从而发现了一种新型高性能量子比特，将其命名为plasonium。

他们制作了这种新的量子比特，并证明它不仅具有较长的相干时间和较高的门保真度，而且比当前广泛使用的超导量子比特transmon具有更小的物理尺寸和更大的非谐性，这为扩展多量子比特器件提供了许多优势。这项工作为利用现有量子计算资源设计高级量子处理器开辟了道路。

过去的半个世纪见证了集成电路的快速发展，电子元件从几个发展到几十亿个。一个关键的实现方法是电子计算机辅助设计软件，工程师利用现有计算机计算和模拟越来越复杂的电子电路，加速设计下一代更高性能的处理器。

类似地，量子处理器的模拟将在设计大规模量子计算机中发挥核心作用。这就要求计算目标量子电路的基本特性，例如能谱、耦合强度和噪声灵敏度。虽然这些计算已经能在小规模上进行，但预计经典模拟所需的资源将随着量子硬件的规模呈指数增长。

因此，一个重要的方向是开发中等规模量子计算机的模拟能力，从而有效地帮助设计未来的高性能量子计算机。

变分量子本征求解器(VQE)是一种模拟量子系统行为的强大量子算法。在这项工作中，他们展示了基于超导电路模型的变分量子模拟的高性能量子比特的量子辅助设计。

研究人员从超导电路模型能谱的变分量子模拟开始。这个电路采用分流约瑟夫森结阵列作为电感，增加了器件的复杂性，但同时提供了更大的设计灵活性。约瑟夫森结、电容和电感的能量分别表示为E_J、E_C、E_L，这个电路的哈密顿量为：

其中，φ是穿过电感的相位，n是与φ共轭的的电路的两个岛之间隧穿的库珀对的数量。φ_ext是穿过约瑟夫森结和电感之间环路的外部通量。

由于量子变量n和φ都是连续的，他们使用其谐波部分的Fock态基来离散地编码系统哈密顿量。设a和a^†分别为消灭算符和产生算符，整个电路的哈密顿量变为：

其中，ω是H_har的跃迁频率，A和是位移算符。

他们将希尔伯特空间截断为有限维，这样就可以映射到量子处理器的计算基上。在这里，将Fock态保持为7个光子，这对于量子模拟来说具有足够的精度。

有一个变分量子电路，其作用是实现从计算基态(Fock态)到能量本征态的幺正旋转。该电路由两个2量子比特和两个3量子比特iSWAP门组成，在它们的两侧嵌入变分单量子比特门。

在这项工作中，他们利用子空间搜索VQE算法同时找到最低的三个能量本征态。在最低的三个Fock态中初始化量子态，然后执行相同的幺正量子电路。由于输入态是正交的，电路之后的最终态也是正交的。因此，通过测量哈密顿量的期望值，得到了三个正交态的期望能量，分别标记为E₀、E₁和E₂。

变分量子电路运行过程

然后，将量子电路变分优化的代价函数定义为F_cost=5×E₀+4×E₁+2×E₂。其中，较低本征态大于较高本征态的加权系数。因此，当代价函数优化到其全局最小值时，三个输出正交态将自动成为三个最低本征态。

在他们的实验中，设计参数E_L(约瑟夫森结阵列的电感能量)从0.2 GHz扫频到3 GHz，其他参数固定。下图显示了在E_L=3.0 GHz的优化过程中，作为迭代次数的函数的三个正交态的代价函数和相应能量。

三个正交态的代价函数和相应能量

从0.2 GHz扫频到3 GHz之后，将三个最低本征态的能谱绘制为E_L的函数，见下图。结果与理想值非常一致。其中能量偏差部分是由通过电路退相干产生的白噪声造成的，可以通过量子错误缓解方法来减少。错误缓解前后的结果在图中分别用〇和＋表示。

结果与理想值非常一致

在能谱中，当电感能量为~0.45 GHz时，他们观察到两个激发态之间的反交叉信号，这表明存在相变。相变来自系统哈密顿量中电势的多谷分布。如下图所示，在跃迁之前(左)，电势有两个最低谷，分别位于相位0和2π附近(E_L=0.2 GHz)，本征态|0>和|1>分布在不同的谷。

随着参数E_L的增大，所有的电势谷和其中的本征态都被提升。当不同的谷中激发本征态|1>和|2>的能量变得更近时，在能谱中存在反交叉。当参数进一步增大时，相空间中只剩下一个电势谷(右)，最低的两个能态都位于这个谷中(E_L=2.0 GHz)。

电势分布

事实上，与反交叉左侧相对应的参数区域是所谓的heavy fluxonium量子比特。这种类型的量子比特具有高达8ms的长弛豫时间。但在以前的工作中从未研究过与反交叉右侧相对应的区域。

在这项工作中，他们将在右侧区域中操作的新型量子比特命名为plasonium，因为这种量子比特是由单个相位谷中的等离激元(plasmon)跃迁驱动的，与使用两个不同相位谷之间的磁通量子(fluxon)跃迁的fluxonium量子比特形成对比。这种新量子比特的电势分布类似于transmon量子比特，但从[-π, π）扩展到整个相空间。

在plasonium量子比特中，借助于分流电感，电荷自由度成为一个连续变量，电荷偏置噪声可以通过规范变换完全消除。这样，就完全避免了transmon量子比特中非谐性和电荷噪声灵敏度之间的权衡。因此，可以使用一个小的分流电容来增加非谐性，减少器件尺寸，而不受电荷噪声的影响。

下图显示了该团队制作的plasonium量子比特的扫描电子显微镜图像，其长度为240 μm，仅为典型transmon的40%。他们最大程度上保持了plasonium的结构类似于transmon，所以这种量子比特与transmon的操作系统具有良好的兼容性，而transmon的操作系统广泛用于当前的量子计算实验，包括谷歌和IBM。

电子显微镜下的plasonium量子比特

除了消除电荷噪声外，plasonium量子比特在大的可调谐跃迁频率带内保持高相干时间T2。

研究人员比较了plasonium和transmon以及电感分流约瑟夫森结模型的另外两种变体heavy fluxonium和quarton的通量灵敏度。

通过观察表明，当从通量不敏感点失谐到同一能级时，plasonium的通量敏感度远小于heavy fluxonium和quarton，也小于具有对称结的transmon量子比特。这是因为plasonium可以被视为具有非对称复合结的transmon，包括单结和结阵列，以降低通量灵敏度。因此，当忽略通常比通量噪声小的其他退相干信道时，plasonium量子比特具有最大的高频带。

比较四种量子比特的通量灵敏度

从实验数据中可以看出，plasonium非谐性在通量不敏感点的最小频率为490 MHz，比典型的transmons大了约50%，并且可以将状态泄漏错误降低55%。值得一提的是，这种非谐性不是plasonium的上限，因为它可以通过减小量子比特的电容进一步增加。

他们测量了plasonium量子比特的相干性，在它的通量不敏感点，测量弛豫时间T₁=32.5±1.2μs和退相时间T₂=16.3±0.9μs。该结果略好于在同一芯片上制造的最佳transmon量子比特。下图给出了在不同通量失谐下测得的相干时间。

plasonium量子比特的相干时间

结果表明，当从通量不敏感点失谐高达400 MHz时，plasonium量子比特的退相时间仍保持在2 μs以上，显示出较大的高频带。

最后，他们通过随机基准测试进一步表征了plasonium量子比特的量子门性能。下图显示了单个X/2门的平均保真度为99.84(7)%。

plasonium量子比特的门保真度

需要说明的是，这是中科大团队制造的第一个plasonium量子比特器件。随着新型超导材料和表面处理方法的发展，预计这种新型量子比特的寿命和相干时间可以提高到几百微秒(μs)。

参考文献：

[1]https://arxiv.org/abs/2109.00994

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：