2Q门保真度99.99%！新的架构带来超导量子计算机的变革

光子盒研究院出品

东芝公司的研究人员在量子计算机架构方面取得了突破：双transmon耦合器的基本设计将提高可调谐耦合器中量子计算的速度和准确性。9月15日，相关研究成果以《双transmon耦合器：高失谐超导量子比特的无残余耦合快速双量子比特门》为题[1]，发表在《应用物理评论》期刊上。模拟表明，采用这项新技术，双量子比特门操作的准确率高达99.99%、处理时间仅为24ns。

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通过耦合器降低错误率

耦合器是决定超导量子计算机性能的关键设备。

量子比特的耦合是通过耦合器完成的。直到最近，主要设备一直是具有恒定耦合强度的固定耦合器，但现在，研究的注意力转向可调谐耦合器：它被可以提供提高性能所需的可调节耦合强度。可调谐耦合器实现了几乎矛盾的要求：具有强耦合的快速双量子比特门，以及通过关闭耦合来减少残余耦合错误。此外，计算中使用的量子比特最好是固定频率的transmon量子比特：其稳定性高、结构简单、易于制造。

此外，耦合的两个量子比特的频率应该显著不同，因为这样可以减少串扰误差，并且对于偏离量子比特频率的设计值具有稳健性，从而提高器件制造的合格率。

当前的技术可以关闭频率相近的transmon量子比特的耦合，但是，当一个量子比特被电磁波照射以进行控制时，就很容易在另一个量子比特上发生串扰错误；此外，目前的技术无法完全关闭频率显著不同的量子比特的耦合，导致残余耦合的错误[2]。

超导计算机的概念图

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世界首创：双transmon耦合器

东芝最近新设计的双transmon耦合器，这是世界上第一个可以完全关闭耦合并高速操作两个量子比特门的可调谐耦合器，用于两个频率明显不同的固定频率transmon量子比特。

新的耦合器可以完全打开/关闭具有显著不同频率的量子比特之间的耦合：完全开启可以进行强耦合的高速量子计算，进而完全关闭则消除了残余耦合，提高了量子计算的速度和精度。新技术的模拟表明，它实现了双量子比特门——这是量子计算中的基本操作，操作的准确率高达99.99%、处理时间仅为24ns。

双transmon耦合器的电路图

双transmon耦合器包括两个固定频率的transmon量子比特，以及用于计算的另外两个固定频率的transmon量子比特。双transmon耦合器有一个环，环上的三个x代表两个transmon约瑟夫森结和一个附加的约瑟夫森结。环路中的磁通量Φex可以通过外部磁场进行调整，以使两侧量子比特之间的耦合强度精确为零，从而完全关闭耦合。通过增加磁通量也可以将耦合强度提高到几十MHz，从而实现快速的双量子比特门操作。

双transmon耦合器中耦合强度的磁通量依赖性

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未来：提高保真度，用于高性能量子计算

东芝的双transmon耦合器可应用于固定频率transmon量子比特，实现高稳定性和易于设计。它是第一个实现可以完全打开和关闭的具有显著不同频率的固定频率transmon量子比特之间的耦合，并提供高速、精确的双量子比特门。

未来，该技术有望推动实现更高性能的量子计算机，这将有助于实现碳中和、新药开发等领域。

下一步实验改进将集中在两个方面：其中transmon量子比特的弛豫和退相干将降低性能。然而，从其较短的门操作时间（24ns）和最近报道的transmon长相干时间（超过300μs）来看，新的耦合器有望实现高双量子比特门保真度。另一个重要问题是约瑟夫森结的临界电流与设计值的偏差：临界电流的偏差对耦合器性能的影响是未来工作的一个重要问题[3]。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.034038

[2]https://phys.org/news/2022-09-double-transmon-coupler-faster-accurate-superconducting.html

[3]https://www.businesswire.com/news/home/20220913006341/en/

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