中国量子计算的里程碑：121量子比特，打破纠错盈亏平衡点

光子盒研究院出品

A big day for quantum computing！今天是中国量子计算的一个大日子，清华大学邓东灵、浙江大学王浩华与合作者[1]展示了一款121比特超导量子处理器，并展示了非阿贝尔交换统计，刷新了国内量子比特数目的纪录，此前最多的是祖冲之二号的66量子比特。

而在另一项研究中，南方科技大学俞大鹏团队与清华大学、福州大学、中国科大的研究人员[2]合作“用离散变量编码的逻辑量子比特打破盈亏平衡点”，这是量子纠错的里程碑。

01

121比特超导量子处理器

浙大和清华的这项工作，有两项重要意义，首先是121比特超导量子处理器，刷新了国内记录，缩小了与国际上的差距；其次是团队报告了对具有多达68个可编程超导transmon量子比特的非阿贝尔任意子的观察，对拓扑量子计算来说意义重大，因为拓扑量子计算可以通过编织和融合非阿贝尔任意子来实现。

浙江大学121比特超导量子处理器

研究人员在两个不同的量子处理器上观察到非阿贝尔交换统计，称为版本I(上图)和版本II，这两个版本都是使用别处描述的倒装芯片配方制造的[36]。处理器I (II)拥有一个11 × 11 (6 × 6)频率可调的transmon量子比特阵列，相邻量子比特之间具有可调谐耦合器。在这两种处理器上，量子比特和耦合器的最大共振频率分别约为4.8 GHz和9.0 GHz。两个相邻量子比特之间的有效耦合强度可以动态调整到-25 MHz。每个量子比特电容耦合到它自己的读出谐振器，设计在6.5 GHz左右的频率，用于量子比特状态测量。在实验中，使用了处理器I (II)上110 (36)个功能量子比特中的68 (20)个量子比特，其在空闲频率下测量的弛豫时间和Hahn echo退相时间如下图所示，中位值分别为T1 = 109.8 (137.5) μs和T2 = 17.9 (16.4) μs。

相干时间T1和T2，蓝线处理器I，橙线处理器II

这款超导量子处理器上的量子操作是通过在每个量子比特/耦合器上应用具有连续控制参数(如振幅和相位)的模拟信号来物理实现的。校准程序是一系列实验的集合，用于学习和优化这些控制参数，使其能够完全控制处理器。一个系统的、自动化的和可扩展的校准程序对于在整个设备上实现高保真量子比特操作是必不可少的。他们将校准过程分为两个阶段：一个是单量子比特校准阶段，用于从零开始单独启动所有量子比特/耦合器，并收集基本的设备和控制参数；另一个是多量子比特校准阶段，用于在系统级别上校准处理器，并实现高保真单量子比特和双量子比特门。

保真度方面，单量子比特门错误、|0>和|1>的保真度如下图所示，121量子比特的处理器I和36量子比特的处理器II的单量子比特门保真度中位值分别为：99.87%和99.91%。

单量子比特门和读出保真度情况，蓝线处理器I，橙线处理器II

双量子比特CZ门错误如下图所示，换成保真度表示，处理器I和II的保真度中位值分别为99.33%和99.44%。

样本量分别为70和20的处理器I和II上的双量子比特CZ门泡利错误，蓝线I，橙线II

02

逻辑量子比特打破盈亏平衡点

在俞大鹏院士团队的工作中，打破了量子纠错的盈亏平衡点。具体来说，在大多数量子纠错(QEC)码中，一个逻辑量子比特被编码在一些离散变量中，例如光子数。基于这种离散变量编码，在各种平台上已经报道了重复的QEC演示，但是编码的逻辑量子比特的寿命仍然比整个系统中最好的可用物理量子比特的寿命短，这代表了任何QEC码需要被超越才能实际使用的盈亏平衡点。在这里，该团队实现超过盈亏平衡点约16%的寿命增强，说明了硬件有效的离散变量QEC码对于可靠的量子信息处理器的潜力。

该研究团队演示了通过对微波腔中的离散变量光子量子比特进行实时反馈校正来超过QEC盈亏平衡点，其码字(codeword)保持相互正交，并且可以明确区分。逻辑量子比特的主要错误，即单光子损失，被映射到基于约瑟夫森结的非线性振荡器的状态，该非线性振荡器被分散地耦合到腔，并用作辅助量子比特，该辅助量子比特是通过包含巧妙定制的频率分量梳的连续脉冲实现的。由于驱动频率瞄准光子损失事件发生的错误空间，当逻辑量子比特保持在编码的逻辑空间中时，逻辑量子比特上的扰动被高度抑制。这种错误综合征检测的另一个内在优点是连续驱动保护系统免受辅助设备的去相位噪声的影响。他们用最低阶二项式代码演示了这一过程，并将存储的量子信息寿命比最佳物理量子比特延长了16%。

与这种错误检测过程相关的一个更重要的特征是，逻辑空间和错误空间都不需要具有确定的奇偶性，这允许实现可以容许多于一个光子损失的QEC码。

具有最低阶二项式编码逻辑量子比特的QEC过程示意图。详情见论文[2]

参考文献：

[1]https://arxiv.org/abs/2211.09802

[2]https://arxiv.org/abs/2211.09319

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