颠覆IBM、谷歌？全新超导量子比特实现高保真逻辑门

光子盒研究院出品

芬兰阿尔托大学、IQM量子计算机公司和VTT技术研究中心的科学团队发现了一种新的超导量子比特——unimon；并且，团队已经实现了第一个具有99.9%保真度的unimon量子逻辑门，这是建立商业有用的量子计算机的重要里程碑。

研究成果以《unimon量子比特》为题[1]，发表在《自然通讯》杂志上。

相比IBM、谷歌等公司采用的transmon，IQM表示，unimon非常简单，但与transmon相比有很多优势。“我们的目标是进一步改进unimon的设计、材料和选通时间，以实现99.99%的保真度目标。”目前transmon还未实现99.99%的双量子比特门保真度。

01

unimon：门保真度首次达到99.9%

在建造有用的量子计算机的所有不同方法中，超导量子比特处于领先地位。然而，目前使用的量子比特设计和技术还不能为实际应用提供足够高的性能。而在这个含噪声中等规模量子计算（NISQ）时代，可实现的量子计算的复杂性大多受限于单量子比特门和双量子比特门的错误：量子计算需要变得更加精确才能发挥作用。

阿尔托大学、IQM和VTT推出的全新超导量子比特unimon增加了非谐性、对直流电荷噪声完全不敏感、对磁噪声的敏感性降低，以及仅由一个谐振器中的单个约瑟夫森结组成的简单结构等理想特性，并全部统一了在一个电路中。

同时，实验团队在三个不同的unimon量子比特上实现了持续13纳秒的单量子比特门，保真度从99.8%到99.9%。

02

非谐性+几何电感：可预测性强，便于生产、操作

正在攻读博士学位的Eric Hyyppä说：“由于非波性/非线性比transmon量子比特高，我们可以更快地操作unimon，从而减少每次操作的错误。”

为了在实验中证明unimon，科学家们设计并制造了芯片，每个芯片由三个单原子量子比特组成。除了约瑟夫森结，他们还使用铌作为超导材料，其中的超导引线是用铝制造的。

研究小组测得unimon量子比特具有相对较高的非谐性，同时只需要一个没有任何超电感的约瑟夫森结，这对噪声有保护作用。与传统的fluxonium或quarton量子比特中基于结阵的超电感相比，unimon的几何电感有可能获得更高的可预测性和产量。

unimon量子比特及其测量设置。

unimon量子比特的关键属性。a）在通量偏置Φ下五个unimon量子比特的预测（实线）和测量的非谐性；b）平均能量弛豫时间T1作为量子比特频率f的函数；c）弛豫时间T1、Ramsey相干时间和echo相干时间作为通量偏差Φ的函数。

单量子比特门的实现。

03

IQM超导路线的里程碑，将进一步优化设计

unimon的艺术印象

“我们的目标是建立在解决现实世界问题方面具有优势的量子计算机。此次Unimon的提出是IQM的一个重要里程碑，也是建立更好的超导量子计算机的一项重大成就。”阿尔托大学和VTT的量子技术联合教授、IQM量子计算机的联合创始人和首席科学家、这项研究的领导者Mikko Möttönen教授表示道[2]。

“Unimon是如此简单，却比transmon有更多优势。事实上，有史以来第一个unimon工作得这么好，为优化和重大突破提供了大量的空间。”Möttönen教授补充说：“作为下一步，我们应该优化设计，以获得更高的噪声保护，并展示双比特门。”

“我们的目标是进一步改进unimon的设计、材料和门时间，以突破99.99%的保真度目标，从而在嘈杂的系统和高效的量子纠错中获得有用的量子优势。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-34614-w

[2]https://phys.org/news/2022-11-unimon-qubit-boost-quantum-applications.html

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