替代transmon！IBM提出全新超导量子比特系统
当涉及到超导量子处理器时，最常用的量子比特是transmon：它对噪声的敏感性很低；最近，IBM展示了一个拥有127个transmon量子比特的系统。尽管取得了这些成就，但transmon有一些操作上的问题，可能会阻碍含有更多量子比特的系统。
现在，纽约IBM研究中心的Baleegh Abdo及其同事已经开发出一种新的超导量子比特——“弱可调谐量子比特”（WTQ），解决了“频率碰撞”问题[1]：WTQ有可能在下一代超导量子处理器中取代transmon量子比特。9月22日，研究成果以《弱磁通量可调超导量子比特》为题[2]，发表在期刊《应用物理评论》上。
01
transmon面临挑战，亟需降低“频率碰撞“
为了使量子计算机达到比经典计算机更明显的优势，它们需要运行纠错码，并有足够的量子数量。实现这种通用量子计算机的一个领先架构是基于约瑟夫森结的量子比特网格，但实现这样架构的关键是要采用易于制造和表征的高相干量子比特，以及快速、易于调整的高保真双量子比特门：能满足这些要求的两个主要候选者是单约瑟夫森结（JJ）transmon量子比特和交叉共振门。
transmon电路。(a)固定频率的晶体管由单个约瑟夫森结组成；(b)广泛可调谐的晶体管由对称直流-SQUID组成；（c）可使用外部磁通Φx穿入SQUID环，形成不对称的直流-SQUID。在不对称的情况下，大的JJ面积比可以实现较小的可调性和对通量噪声的敏感性。在制造过程中需要明显更厚的氧化物来产生EJ2、EJ1，从而有可能限制量子比特的寿命。
然而，尽管有这些特性有利于实现小型量子处理器：包括几十个单JJ-transmon和交叉共振门，在大型量子处理器中部署这种量子和门相当有挑战。困难来自于这样一个事实，即量子比特的固定频率fq主要由JJ能量决定，由于制造过程中的参数不受控制，其随机散射的标准偏差σf与所需解谐度的上限（由量子比特非谐波性设定）相当。由于transmon量子比特在一个固定的频率下工作，这意味着在包含大量transmon的电路中，量子的激发能量重叠可能会引发门错误。
这种不精确性大大增加了相邻量子比特之间发生频率碰撞的可能性，并减少了无碰撞芯片的产量。拥有操作频率稍不同的相邻量子比特可以解决这个问题。但以前的可调谐transmon极易受到噪声的影响，如磁通量噪声，这可能导致transmon的快速去相位和门错误。
02
全新弱可调谐量子比特，改善弛豫时间
因此，Abdo和他的同事们创造了一种不受失调影响的、可调谐频率的量子比特来解决这个问题。研究团队实现了一个超导量子比特——弱可调谐量子比特（WTQ），它在多量子比特架构中保留了JJ-transmon的理想特性：WTQ使用约瑟夫森结工作，但它包含三个结而不是一个；每个结都有略微不同的特性。研究小组利用这些特性将每个量子比特的频率调整为十分之几的比例：这种可调性大到足以避免频率碰撞，小到足以限制其对噪声的敏感性。
WTQ的频率随着施加的磁通量而微弱地调整。这种有限的可调谐性可以解决多量子结构中的频率碰撞问题，同时保持高一致性；也可以通过避免频率空间中的二能级系统（TLS）来改善量子比特的弛豫时间。
详细的WTQ电路图。它有三个约瑟夫森结，电感量为LJ1、LJ2、LJ3，电容分别是CJ1、CJ2、CJ3。Lc是产生SQUID环路磁场的线圈的电感。两个部分电感L1和L2被引入以模拟SQUID环路的线性电感，它们分别以互感M1和M2与线圈进行电感耦合。这样一个精细的WTQ电路结构避免了在计算退相干率时的不一致。
03
工程化实现：两个七量子比特芯片
随后，实验团队实现并测量了两个七量子比特芯片（称为A和B），其设计与过去的单JJ-transmon相似：每个芯片包括六个WTQ和一个单JJ-transmon量子比特。每个量子比特都电容耦合到一个读出谐振器，而这个谐振器又电容耦合到一个读出端口。所有耦合量子比特的谐振器总线都通过缩短其末端到地而被禁用。
研究团队以两种配置实现WTQ，即P型和U型，它们在分流JJ的间隙电容电极的形状上有所不同。在P型配置中，三个电容电极相互平行；而在U型配置中，一个外部电极缠绕在量子比特的中间电极的三个侧面。使用这两种可能的配置设计WTQ的动机是为了在实验中检验这两种配置是否具有任何相干性优势。
(a)本工作中测量的两个7量子比特芯片之一的照片。该芯片由6个WTQ和一个单JJ-transmon（Q4）组成。WTQ使用(b)和(c)所示的两种间隙-电容几何形状实现。(b)P型WTQ（Q2, Q3, Q7），其中电容是平行的。(c)U型WTQ（Q1, Q5, Q6），其中一个电容是弯曲的。(d)等效的WTQ电路。C‘1和C’2代表分流JJ的总电容（包括JJ的自电容）。SQUID的小结点与单JJ-transmon的结点EJ2≌EJ1≌EJ相当，而SQUID的另一个JJ稍大。在电极中使用的圆角是为了尽量减少E场集中，并不是WTQ设计所特有的。
左：芯片A的相干性测量；右：芯片B的相干性测量。从上到下显示了量子比特频率fq（蓝色圆圈）、T1（黑星）、T2E、T2R（分别为红色圆圈和洋红色方块）和Tj（蓝色圆圈）作为应用线圈偏置电流IB的函数。
如上所示，WTQ表现出的相干时间，即T1和Tj，与在同一芯片上制造的单JJ-transmon量子比特的相干时间相当。这些时间与通常在单结transmon中看到的损耗和消隐机制是一致的（见图中第四行的蓝色实心曲线）。值得注意的是，实验中没有观察到P型/U型WTQ设计在两个芯片中各种量子比特的测量弛豫时间T1方面的明显优势（或者至少在实验中测量的50-100微秒范围内）。
04
突破性实验，有望替代transmon量子比特
此次，IBM团队介绍了弱可调谐的超导量子比特，其频率可以通过外部磁通量进行调谐；开发了一个理论模型，抓住了设备物理及其与通量偏置电路的耦合；此外，实验小组制造并测试了两个包含这些WTQ量子比特的几种变化的超导芯片。
结果表明，新的超导芯片可以实现低至43-287MHz的频率可调性范围，而其SQUID JJ的尺寸只有很小的不对称性（αJ=2-3.5）：这大大低于使用高度不对称的直流SQUID晶体管的可能性（大约350MHz的可调性，不对称系数为15）。
使用这种弱磁通量可调谐的量子比特，应该使我们能够解决多量子结构中最常见的频率碰撞问题，同时最大限度地减少对磁通量噪声的敏感性；WTQ的另一个重要优势是，它们像transmon一样耦合在一起，因此，同样有望支持交叉共振门等其他双量子比特门。
参考链接：
[1]https://physics.aps.org/articles/v15/s130
[2]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.034057
[3]https://arxiv.org/abs/2203.04164