新的量子比特电路可实现更高精度的量子操作

在未来，量子计算机可能能够解决对于当今最强大的超级计算机来说过于复杂的问题。为了实现这一承诺，纠错码的量子版本必须能够比计算错误发生得更快。

然而，今天的量子计算机还不够强大，无法在商业相关的规模上实现这种纠错。

在克服这一障碍的道路上，麻省理工学院的研究人员展示了一种新颖的超导量子比特架构，可以在量子比特（量子计算机的构建块）之间执行操作，其准确性比科学家以前能够达到的要高得多。

他们利用一种相对较新的超导量子比特，称为Fluxonium，其寿命可以比更常用的超导量子比特长得多。

它们的架构涉及两个助焊量子位之间的特殊耦合元件，使它们能够以高精度的方式执行逻辑运算，称为门。它抑制一种不需要的背景交互，这种交互可能会在量子操作中引入错误。

这种方法支持精度超过 99.9% 的双量子比特门和准确度为 99.99% 的单量子比特门。此外，研究人员使用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这种架构。

“构建大型量子计算机始于强大的量子比特和门。我们展示了一个非常有前途的双量子比特系统，并列出了它在扩展方面的许多优势。我们的下一步是增加量子比特的数量，“Leon Ding博士’23说，他是工程量子系统（EQuS）小组的物理学研究生，也是关于这种架构的论文的主要作者。

丁与EQuS博士后Max Hays一起撰写了这篇论文;宋永圭博士’22;Bharath Kannan PhD ‘ 22，现任Atlantic Quantum首席执行官;Kyle Serniak，麻省理工学院林肯实验室的科学家和团队负责人;资深作者威廉·D·奥利弗，亨利·埃利斯·沃伦电气工程和计算机科学以及物理学教授，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。这项研究今天发表在 《物理评论X》上。

对助焊量子比特的新诠释

在经典计算机中，门是对启用计算的位（一系列 1 和 0）执行的逻辑操作。量子计算中的门可以以同样的方式思考：单个量子比特门是一个量子比特上的逻辑操作，而两个量子比特门是依赖于两个连接量子比特的状态的操作。

保真度测量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必不可少的，因为量子误差呈指数级累积。由于在大规模系统中发生数十亿次量子操作，看似很小的错误可能会很快导致整个系统失败。

在实践中，人们会使用纠错码来实现如此低的错误率。但是，操作必须超过“保真度阈值”才能实现这些代码。此外，将保真度远远超过此阈值可减少实现纠错码所需的开销。

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，称为通量量子比特，起源于最近。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。

相干时间是量子比特在量子比特中的所有信息丢失之前可以执行操作或运行算法的时间的度量。

“量子比特的寿命越长，它倾向于促进的操作保真度就越高。这两个数字是联系在一起的。但目前还不清楚，即使锰量子比特本身表现得很好，如果你能在它们身上表现良好的门，“丁说。

Ding和他的合作者首次找到了一种方法，可以在支持极其强大的高保真门的架构中使用这些寿命更长的量子比特。在他们的架构中，通量量子比特能够实现超过一毫秒的相干时间，比传统的传量子比特长约10倍。

“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，”Hays说。“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。

锰量子比特是与麻省理工学院林肯实验室（MIT-LL）密切合作开发的，该实验室在可扩展超导量子比特技术的设计和制造方面拥有专业知识。

“这个实验是我们所谓的’单团队模型’的典范：EQuS小组和MIT-LL的超导量子比特团队之间的密切合作，”Serniak说。这里值得特别强调的是MIT-LL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。

更强大的连接

他们的新架构涉及一个电路，该电路两端有两个助焊量子位，中间有一个可调谐的传输耦合器将它们连接在一起。这种锰-跨锰-锰（FTF）架构比直接连接两个锰量子比特的方法实现了更强的耦合。

FTF 还可以最大限度地减少量子操作期间在后台发生的不需要的交互。通常，量子比特之间更强的耦合会导致更多的这种持续背景噪声，称为静态ZZ相互作用。但是FTF架构解决了这个问题。

抑制这些不需要的相互作用的能力和通量量子比特的较长相干时间是使研究人员能够证明99.99%的单量子比特门保真度和99.9%的双量子比特门保真度的两个因素。

这些门保真度远高于某些常见纠错码所需的阈值，并且应该能够在更大规模的系统中实现错误检测。

“量子纠错通过冗余构建系统弹性。通过添加更多量子比特，我们可以提高整体系统性能，前提是量子比特单独“足够好”。想想试图在一个满是幼儿园的房间里执行一项任务。这是很多混乱，增加更多的幼儿园不会让它变得更好，“奥利弗解释道。“然而，几个成熟的研究生一起工作会导致超过任何一个个体的表现——这是门槛概念。虽然构建可扩展的量子计算机还有很多工作要做，但它首先要拥有远高于阈值的高质量量子操作。

基于这些结果，Ding，Sung，Kannan，Oliver和其他人最近成立了一家量子计算初创公司Atlantic Quantum。该公司寻求使用锰量子比特为商业和工业应用构建可行的量子计算机。

“这些结果立即适用，并可能改变整个领域的状态。这向社区表明，还有一条替代的前进道路。我们坚信，这种架构，或者类似的东西，使用通量量子比特，在实际构建有用的容错量子计算机方面显示出巨大的前景，“Kannan说。

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。接下来，研究人员计划在具有两个以上连接量子比特的系统中展示FTF架构的优势。

“这项工作开创了一种耦合两个助焊量子比特的新架构。实现的门保真度不仅是有记录以来最好的通量保真度，而且与目前占主导地位的量子比特Transmons相当。更重要的是，该架构还在参数选择方面提供了高度的灵活性，这是扩展到多量子比特 fluxonium 处理器所必需的功能，“阿里巴巴全球研究机构达摩院量子实验室实验量子团队负责人邓春清说，他没有参与这项工作。“对于我们这些相信fluxonium从根本上比Transmon更好的量子比特的人来说，这项工作是一个令人兴奋和肯定的里程碑。它不仅会刺激锰处理器的发展，而且更广泛地说，量子比特将替代传输。

这项工作部分由美国陆军研究办公室、美国国防部负责研究和工程的副部长、IBM博士奖学金、韩国高级研究基金会和美国国防科学与工程研究生奖学金计划资助。