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门精度超99.9%！MIT开创耦合fluxonium量子比特新架构

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发布时间：2023-09-26
 
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。要实现这一前景，量子版本的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，麻省理工学院的研究人员展示了一种新型超导量子比特架构，它可以在量子比特之间执行操作，其精确度远远超过科学家们以前所能达到的水平。
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（现任大西洋量子公司首席执行官）、麻省理工学院林肯实验室的科学家兼团队负责人Kyle Serniak以及资深作者William D. Oliver（Henry Ell Ellis Warren博士）共同撰写了这篇论文。9月25日，这项研究发表在《物理评论 X》上。
 
他们利用的是一种相对较新的超导量子比特：称为 fluxonium，它的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）。它抑制了一种可能给量子运算带来误差的不必要背景相互作用。
 
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，研究人员还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。我们展示了一种极具前景的双量子比特系统，并阐述了其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博士说道，他是工程量子系统(EQuS)小组的物理学研究生，也是有关该架构论文的第一作者。
 
 
Leon Ding
 
 
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，将保真度推远到这一阈值之外，就可以减少实施纠错码所需的开销。
 
十多年来，研究人员在构建量子计算机的过程中主要使用了transmon量子比特。另一种超导量子比特，即fluxonium量子比特，则是最近才出现的。研究表明，fluxonium量子比特的寿命（或相干时间）比transmon量子比特更长。
 
相干时间是衡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。但一直以来，我们都不清楚，即使是在fluxonium量子比特本身性能相当好的情况下，是否能在它们身上执行良好的门。”
 
Leon 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 量子比特能够实现超过一毫秒的相干时间——比传统transmon量子比特长约10倍。
 
对于这一成就，Hays说道：“在过去的几年里，已经有一些关于fluxonium在单量子比特层面优于transmon的演示。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。
 
他们的新颖结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transmon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)架构能实现更强的耦合。
红色代表Fluxon量子比特和位于它们之间的蓝色Transmon耦合器
 

FTF电路的简化电路模型
 
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普通纠错码所需的阈值，应该能够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了系统弹性。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各自‘足够好’。试想一下，要让一屋子的幼儿园小朋友完成一项任务。那将是一片混乱，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。
7月22日，Atlantic Quantum筹集了900万美元的种子轮资金
 
“这些成果可以立即应用，并可能改变整个领域的状况。这向社会展示了另一条前进之路——我们坚信，这种架构，或者类似的使用通量量子比特的架构，在实际构建有用的容错量子计算机方面大有可为。”
 
“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——transmon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。”
 
总之，这项工作是一个激动人心的里程碑。它不仅将推动fluxonium处理器的发展，还将在更大范围内推动替代Transmon量子比特的发展。
 
参考链接：
[1]https://www.atlantic-quantum.com/
[2]https://phys.org/news/2023-09-qubit-circuit-enables-quantum-higher.html
[3]https://news.mit.edu/2023/new-qubit-circuit-enables-quantum-operations-higher-accuracy-0925
 

 

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