保真度达99%！超导量子比特控制精度突破极限

光子盒研究院

单通量量子（SFQ）数字逻辑已被提出用于下一代超导量子比特阵列的可扩展控制；用于控制量子比特的可扩展系统具有极低的误差率，这对于制造实用设备至关重要。

开发实用量子计算机的一个主要障碍是很难扩大规模，制造出具有大量量子比特的设备，并在存在环境噪声的情况下也能提供准确的结果。

现在，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校、雪城大学、美国国家标准与技术研究所（NIST）、科罗拉多大学等联合研究团队报告说，一种已知比传统技术更容易扩展的技术的精确度有了显著提高：这种替代技术使用称为 “磁通量量子（flux quanta）”的磁通量单位来控制传统的超导量子比特；控制电路与量子比特的物理分离降低了误差率。

经过进一步改进，磁通量量子技术可以为实用量子计算提供更优越的途径。

7月24日，实验成果以“Single Flux Quantum-Based Digital Control of Superconducting Qubits in a Multichip Module”为题，发表在PRX QUANTUM上。

量子经典多芯片模块 (MCM)。(a) 量子比特芯片的显微照片。(b) SFQ 驱动芯片的显微照片。  (c) 组装好的 MCM 叠层的照片；量子比特芯片用红色勾勒，SFQ 芯片用蓝色勾勒。(d) 一对量子比特-SFQ 的电路图。
目前，许多进行量子逻辑运算（计算的基本单元）的工作都使用短微波脉冲来控制量子比特；然而，目前这种技术很难扩展到 1000 量子比特以上。根据一些估计，环境噪声的存在要求纠错方法依赖于大量的量子比特：也许是一百万个或更多的量子比特，这样才能获得有效的纠错系统，从而执行有用的计算。
在构建量子系统的另一种方法中，使用了单磁通量量子（single flux quanta）——超导设备中产生的最小磁通量单位，来控制量子比特。研究人员认为，与微波控制相比，这种量子比特控制技术更容易扩大规模，因为硬件消耗的功率要小得多，从而降低了所需的低温冷却功率——这是大型量子计算系统的主要问题。
任何量子计算都涉及一连串基本逻辑运算，其中每一个运算都会以特定方式改变量子比特的状态。开发单磁通量量子技术的一个关键挑战是展示准确执行这些操作的能力。
在之前的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校的Robert McDermott及其同事证明了91%的准确率，后来其他人将这一结果提高到了近98%。现在，McDermott、研究生Chuan-Hong Liu和他们的同事将这项技术更进一步：通过将产生通量量子的设备放置在一个芯片上，实现了超过 99% 的保真度，而这个芯片与支持执行运算的量子比特的芯片在物理上是不同的。
研究团队表示，“这种物理分离减少了通量脉冲发生器与量子比特之间的干扰。”

为了证明这种改进，研究人员制造了两个平行放置的平面芯片，形成类似“三明治”的结构。在上层芯片上，他们制造了两个transmon量子比特，每个量子比特都能利用超导电路中的磁通量存储一个量子信息。下层芯片上有两个类似的超导电路，每个超导电路构成了单磁通量量子发生器的基础，通过发送磁通量脉冲，可以改变上层芯片上量子比特的状态。研究人员通过一系列狭窄的铟（indium）桥将两个晶片连接起来——这种超导连接的设计目的是防止发生器产生的不良物理干扰，特别是电子-空位激发和称为声子的振动量子会影响量子比特。

显微照片显示了这两个芯片，上面的芯片装有两个量子比特（左），下面的芯片装有两个能够发射单个磁通量量子的装置（右）。这些磁通量子可以使量子比特发生受控变化，从而执行逻辑运算。将发生器和量子比特放置在不同的芯片上，可以减少对量子比特的不必要干扰，从而降低出错的可能性。
在一系列测试中，研究人员测量了磁通脉冲发生器在改变各种操作参数时触发量子比特精确逻辑运算的能力。这些参数包括脉冲发生器的驱动电流及其工作频率。在找到最佳参数设置后，他们测试了脉冲发生器在驱动所需的逻辑运算时的精确度，并对具有一系列初始量子比特状态的试验结果进行了平均。

实验线路图

完整的量子比特控制 在优化通量-量子驱动器的初期工作中，研究人员测试了他们使用两个交错的通量-量子脉冲序列控制量子比特的能力，这两个脉冲序列执行互补操作。在圆形图像中，从中心向外的径向距离反映了脉冲之间的时间间隔，而圆形周围的角度则显示了两个不同序列之间的相对相位或时间偏移。颜色与量子比特状态的变化相对应：蓝色表示完全没有变化；红色表示完全翻转到正交状态。结果表明，有八种等效的脉冲时序和相位选择可以引起完全翻转，这意味着，研究人员可以完全控制量子比特的状态。

非相干误差的特性。
总体而言，研究小组发现，在所有案例中，通量发生器产生错误结果的比例为 1.2%——比基于 SFQ 的量子比特控制时的门误差减少了一个数量级；比去年另一个研究小组报告的数据（2.1% ）减少了两倍。

在这项工作无疑是一项伟大的成就，实验团队推进了基于 SFQ 的超导量子比特数字控制技术的发展。通过在 MCM 架构中将量子比特和经典控制元件分离在不同的芯片上，团队实现了 1.2(1)% 的Clifford门误差。 
在今后的工作中，研究小组打算改进设置，进一步减少芯片之间的干扰。“通过这些优化，我们应该能够实现 99.9% 的栅极保真度，甚至通过优化脉冲序列实现 99.99% 的栅极保真度。”
参考链接：[1]https://physics.aps.org/articles/v16/128[2]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.030310[3]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.010350[4]https://research.ibm.com/publications/superconducting-qubit-control-with-single-flux-quantum-pulses-in-a-multi-chip-module[5]https://arxiv.org/abs/2301.05696

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