中國在超導量子晶片架構設計領域取得新進展

2020-08-27 馬爾科夫鰱魚


《Physical Review Letters》最新接收論文

容錯量子計算是量子計算技術發展的重要目標，其先決條件是量子門的錯誤率低於容錯閾值。在巨大的量子比特數量的條件下，進行糾錯消耗的大量計算資源是最終實現容錯量子計算的主要障礙。理論研究表明，進一步降低門操作錯誤率可以有效降低所需計算資源，因此提高門操作性能是實現量子容錯量子計算的首要任務。

超導量子計算是目前最有可能實現實用量子計算機的候選方案之一，在當前的超導量子處理器架構中，由超導量子比特高能級之間的耦合引起的寄生ZZ耦合是限制量子門操作和量子糾錯性能的一個主要因素，近日，於揚課題組通過理論分析，提出了一種可以實現高對比度ZZ耦合的全新超導量子處理器架構，基於此處理器架構，我們不僅可以用高開/關比來控制ZZ耦合，以實現高保真度兩比特CZ門，而且也可以抑制ZZ耦合，實現高保真度兩比特iSWAP門，此外，還可以抑制近鄰比特間的ZZ串擾。因此，該方法對於實現容錯的超導量子計算具有重要意義。

圖1為於揚課題組提出的超導量子處理器架構，其中，具有相反非諧性的A類型量子比特和B類型量子比特交錯排列，通過近鄰耦合形成二維點陣結構。如圖所示，課題組選用非諧性為負的Transmon量子比特作為A類型量子比特，非諧性為正的C-shunt flux量子比特作為B類型量子比特，並通過電容耦合或諧振腔耦合來實現近鄰耦合。相比於當前普遍使用的由單一超導量子比特構成的處理器架構，二者的能級結構具有顯著的差別，如圖2所示，其中圖（a）表示由兩個非諧性為負的Transmon量子比特構成的耦合體系的能級結構，圖（b）表示由非諧性恰好相反的Transmon量子比特和C-shunt flux量子比特構成的耦合體系的能級結構，後者具有一個明顯的三重簡併點。量子比特可以通過電容器直接耦合（c），或者使用諧振器進行間接耦合（d）。

圖1 超導量子處理器架構

圖2 兩比特耦合體系的能級結構

為證明提出的這類新型超導量子處理器架構的優勢，課題組通過數值計算得到了ZZ耦合強度隨近鄰比特的失諧量及非諧性之差的變化，如圖3所示，計算結果表明，該新型處理器架構確實能夠實現高對比度和高開關比的ZZ耦合。此外，課題組通過計算進一步證明了，在該架構中，採用非絕熱方案可以實現更快的CZ門操作和極低相位誤差的iSWAP門操作，如圖4所示，根據數值結果，我們可以基於此架構，實現洩露小於的iSWAP門和交換誤差小於CZ門。

圖3 ZZ耦合強度隨失諧量及非諧性的變化


圖4 CZ門和iSWAP門的數值計算結果

該成果於2020年8月份已被物理學頂級期刊《Physical Review Letters》接收。該成果系南京大學物理學院於揚教授課題組五位核心成員共同完成，並且南京郵電大學量子信息與技術研究所參與幫助。

論文連接詳見：https://arxiv.org/abs/2002.07560

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