麻省理工学院的新型Fluxonium量子比特电路能以前所前所未有的精度实现量子运算

来源：半导体芯科技编译

这张艺术的效果图展示了研究人员的超导量子比特架构，红色为fluxonium量子比特，蓝色为它们之间的传子耦合器。

01这一进展使量子纠错离现实更近了一步

未来，量子计算机也许能够解决对当今最强大的超级计算机来说过于复杂的问题。要实现这一目标，量子纠错码必须能够比计算错误发生得更快。

然而，当今的量子计算机还不够强大，无法在商业上实现这种纠错。

在克服这一障碍的道路上，麻省理工学院的科学家们展示了一种新型超导量子比特架构，这种架构可以在量子比特（量子计算机的构件）之间执行操作，其精确度远远超过科学家们以前所能达到的水平。

他们利用的是一种相对较新的超导量子比特，被称为 "fluxonium"，其寿命比常用的超导量子比特要长得多。它们的结构涉及两个Fluxonium量子比特之间的特殊耦合元件，使它们能够以高度精确的方式执行逻辑运算，称为门。它抑制了一种不必要的背景交互，这种交互可能会在量子操作中引入错误。

这种方法使得双量子比特门的准确率超过 99.9%，单量子比特门的准确率达到 99.99%。此外，研究人员利用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这一架构。

"构建大型量子计算机首先要有强大的量子比特和门。我们展示了一个极具前景的双量子比特系统，并阐述了它在扩展方面的诸多优势。我们的下一步是增加量子比特的数量，"23 岁的 Leon Ding 博士说，他曾是工程量子系统（EQuS）小组的物理学研究生，也是这一架构论文的第一作者。

Leon Ding 与 EQuS 小组的博士后 Max Hays、22 岁的 Youngkyu Sung 博士、22 岁的 Bharath Kannan 博士（现任Atlantic Quantum大西洋量子公司首席执行官）、麻省理工学院林肯实验室的参谋科学家兼团队负责人 Kyle Serniak 以及资深作者 William D. Oliver 共同撰写了这篇论文。奥利弗，亨利-埃利斯-沃伦（Henry Ellis Warren）电子工程与计算机科学教授、物理学教授、量子工程中心主任、EQuS负责人、电子研究实验室副主任；以及麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的其他人员。该研究成果于 9 月 25 日发表在《物理评论 X》杂志上。

02关于Fluxonium量子比特的启示

在经典计算机中，门是对比特（一系列 1 和 0）进行的逻辑运算，可以实现计算。量子计算中的门也可以这样理解：单量子比特门是对一个量子比特进行的逻辑运算，而双量子比特门则是取决于两个相连量子比特状态的运算。

保真度衡量的是在这些门上执行的量子操作的准确性。具有最高保真度的门是至关重要的，因为量子误差会以指数形式累积。在大规模系统中进行数十亿次量子运算时，一个看似微小的错误很快就会导致整个系统失效。

在实践中，人们会使用纠错码来实现如此低的错误率。然而，要实现这些编码，操作必须超过一个 "保真度阈值"。此外，将保真度远远超过到这一阈值之外，可以减少实施纠错码所需的开销。

十多年来，研究人员主要使用Transmon量子比特来构建量子计算机。另一种类型的超导量子比特，称为Fluxonium量子比特，则是最近才出现。Fluxonium量子比特已被证明比Transmon量子比特具有更长的寿命或相干时间。

相干时间是度量一个量子比特在丢失所有信息之前能执行多长时间的操作或运行多长时间的算法。

"量子比特的寿命越长，其运算的保真度就越高。这两个数字是联系在一起的。但目前还不清楚，即使是在Fluxonium量子比特本身性能相当好的情况下，如果你能在它们身上执行良好的门，那么它们的性能也会很好，"Ding说。

Ding和他的合作者们首次找到了一种方法，可以在一种架构中使用这些寿命更长的量子比特，这种架构可以支持极其强大的高保真门。在他们的架构中，Fluxonium 量子比特能够达到超过一毫秒的相干时间，比传统的Transmon 量子比特长约 10 倍。

Hays说："在过去的几年里，已经有几次证明Fluxonium在单量子比特水平上优于Transmons，"我们的工作表明，这种性能提升也可以扩展到量子比特之间的相互作用。

Fluxonium量子比特是在与麻省理工学院林肯实验室（MIT-LL）的密切合作下开发出来的，该实验室拥有设计和制造可扩展超导量子比特技术的专业知识。

Serniak说："这次实验是我们所说的'一个团队模式'的典范：EQuS 小组与麻省理工学院林肯实验室超导量子比特团队之间的密切合作。"值得在此特别强调的是麻省理工学院实验室制造团队的贡献--他们开发了构建100多个约瑟夫森结的密集阵列的能力，专门用于Fluxonium和其他新的量子比特电路。"

03创新的量子结构

他们的新颖架构包括一个两端有两个Fluxonium量子比特的电路，中间有一个可调谐的传子耦合器将它们连接在一起。与直接连接两个Fluxonium量子比特的方法相比，这种
fluxonium-transmon-fluxonium (FTF)架构能够实现更强的耦合。

FTF 还能最大限度地减少量子操作过程中在背景中发生的不必要的相互作用。通常情况下，量子比特之间更强的耦合会导致更多这种持续的背景噪声，即所谓的静态 ZZ 相互作用。但 FTF 架构可以解决这个问题。

抑制这些不必要的相互作用的能力以及Fluxonium量子比特更长的相干时间，是研究人员能够将单量子比特门保真度提高到 99.99% 和双量子比特门保真度提高到 99.9% 的两个因素。

这些门保真度远高于某些常见纠错码所需的阈值，并能在更大规模的系统中进行错误检测。

"量子纠错通过冗余建立系统弹性。通过增加更多的量子比特，我们可以提高系统的整体性能，前提是这些量子比特都足够'优秀'。试想一下，要让一屋子的幼儿园小朋友完成一项任务。奥利弗解释说："那是一片混乱，增加更多的幼儿园小朋友也不会让情况变得更好。"然而，几个成熟的研究生一起工作，其表现会超过任何一个人，这就是阈值概念。虽然要构建可扩展的量子计算机还有很多工作要做，但首先要有远远超过阈值的高质量量子运算"。

在这些成果的基础上，Ding、Sung、Kannan、Oliver 等人最近成立了一家量子计算初创公司 Atlantic Quantum。该公司试图利用 fluxonium 量子比特为商业和工业应用构建可行的量子计算机。

"这些成果立竿见影，可能会改变整个领域的状况。这向社会展示了另一条前进之路。Kannan说："我们坚信，这种架构，或者类似的使用Fluxonium量子比特的架构，在实际构建有用的容错量子计算机方面大有可为。

他补充说，虽然这样的计算机可能还需要 10 年的时间，但这项研究是朝着正确方向迈出的重要一步。下一步，研究人员计划在拥有两个以上连接量子比特的系统中展示 FTF 架构的优势。

"这项工作开创了耦合两个fluxonium量子比特的新架构。所实现的门保真度不仅是有记录以来最好的fluxonium，而且与目前占主导地位的量子比特Transmons的门保真度相当。更重要的是，该架构还提供了参数选择的高度灵活性，这对于升级为多量子比特通子处理器至关重要，"阿里巴巴全球研究机构大摩研究院量子实验室量子实验团队负责人邓春庆说，他没有参与这项工作。对于我们这些相信 "fluxonium"是比 "Transmon"更好的量子比特的人来说，这项工作是一个激动人心的里程碑。它不仅将推动通量铵处理器的发展，还将更广泛地推动量子比特的发展。

审核编辑：汤梓红