这张艺术家的渲染图展示了研究人员的超导量子比特架构，红色和蓝色的是fluxonium量子比特，它们之间是transmon耦合器。图片来源:Krantz Nanoart

这一进展使量子纠错离现实又近了一步。

在未来，量子计算机可能能够解决当今最强大的超级计算机无法解决的复杂问题。为了实现这一承诺，量子版本的纠错码必须能够在计算错误发生之前更快地对其进行解释。

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。

在克服这一障碍的过程中，麻省理工学院的科学家们展示了一种新的超导量子比特架构，它可以在量子比特(量子计算机的组成部分)之间执行操作，其精度比科学家们以前能够实现的要高得多。

他们利用了一种相对较新的超导量子位，称为氟铵，它的寿命比更常用的超导量子位长得多。

它们的结构包括两个氟鎓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，即门。它抑制了一种不必要的背景相互作用，这种相互作用会给量子操作带来错误。

这种方法使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，研究人员使用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这种架构。

“建造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位系统，并展示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，”23岁的里昂·丁博士说，他是工程量子系统(EQuS)小组的物理学研究生，也是该架构论文的主要作者。

丁与EQuS博士后马克斯·海斯(Max Hays)共同撰写了这篇论文;Youngkyu Sung博士22届;巴拉特·坎南，22届博士，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和团队负责人凯尔·塞尼亚克;资深作者威廉·d·奥利弗(William D. Oliver)，亨利·埃利斯·沃伦(Henry Ellis Warren)电气工程、计算机科学和物理学教授，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林肯实验室的其他人。这项研究发表在9月25日的《物理评论X》杂志上。

关于Fluxo的见解nium量子位

在经典计算机中，门是对能够进行计算的位(一系列1和0)执行的逻辑操作。量子计算中的门可以用同样的方式来考虑:单个量子位门是对一个量子位的逻辑操作，而两个量子位门是依赖于两个相连量子位的状态的操作。

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。在一个大规模系统中发生了数十亿次量子运算，一个看似很小的错误就能迅速导致整个系统失败。

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

十多年来，研究人员主要使用transmon量子位元来构建量子计算机。另一种超导量子比特，被称为氟态量子比特，是最近才出现的。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。

相干时间是衡量量子位在丢失所有信息之前执行操作或运行算法的时间。

“量子比特的寿命越长，它所促进的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，即使氟态量子比特本身表现很好，如果你能在它们上面实现良好的门，”丁说。

丁和他的合作者第一次找到了一种方法，可以在一个架构中使用这些更长寿的量子位，这种架构可以支持极其健壮、高保真的门。在他们的架构中，fluxonium量子位能够实现超过一毫秒的相干时间，比传统的transmon量子位长大约10倍。

海斯说:“在过去的几年里，已经有几次证明氟化铵在单量子位水平上的表现优于传输子。”“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，该实验室在设计和制造可扩展超导量子比特技术方面具有专业知识。

Serniak说:“这个实验是我们所谓的‘单团队模式’的典范:EQuS小组和麻省理工学院的超导量子比特团队之间的密切合作。”“这里值得特别强调的是麻省理工学院- ll制造团队的贡献-他们开发了构建超过100个约瑟夫森结密集阵列的能力，专门用于fluxonium和其他新的量子比特电路。”

创新量子架构

他们的新结构包括一个电路，两端有两个氟态量子比特，中间有一个可调谐的transmon耦合器将它们连接在一起。这种fluxonium-transmon-fluxonium (FTF)架构比直接连接两个fluxonium量子比特的方法实现了更强的耦合。

FTF还最大限度地减少了量子操作期间在后台发生的不必要的相互作用。通常，量子位之间更强的耦合会导致更多的这种持续的背景噪声，即静态ZZ相互作用。但是FTF架构弥补了这个问题。

抑制这些不必要的相互作用的能力和较长的相干时间是两个因素，使研究人员能够证明单量子比特门保真度为99.99%，双量子比特门保真度为99.9%。

这些门保真度远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进行错误检测。

“量子纠错通过冗余构建系统弹性。通过增加更多的量子位，我们可以提高整个系统的性能，前提是每个量子位都足够好。想象一下，在一屋子的幼儿园小朋友面前完成一项任务。这是一个很大的混乱，增加更多的幼儿园不会使情况好转，”奥利弗解释说。“然而，几个成熟的研究生一起工作，会导致超过任何一个人的表现——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。”

基于这些成果，Ding、Sung、Kannan、Oliver等人最近成立了一家量子计算初创公司Atlantic quantum。该公司寻求使用氟鎓量子比特来构建一个可行的量子计算机，用于商业和工业应用。

“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，还有另一条前进的道路。我们坚信，这种架构，或者类似的使用fluxonium量子比特的东西，在实际构建有用的、容错的量子计算机方面显示出巨大的希望，”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位的系统中展示FTF架构的优势。

“这项工作开创了一种耦合两个fluxonium量子比特的新架构。所获得的门保真度不仅是氟化铵有史以来最好的，而且与目前占主导地位的量子比特——传输子的保真度相当。更重要的是，该架构还提供了高度的参数选择灵活性，这对于扩展到多量子位的氟化铵处理器至关重要，”阿里巴巴全球研究机构达摩研究院量子实验室实验量子团队负责人邓春青说，他没有参与这项工作。“对于我们这些认为fluxonium从根本上说是比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。它不仅会激发氟化铵处理器的发展，还会更广泛地激发量子比特替代传输子的发展。”

参考文献:“高保真度，频率灵活的双量子位Fluxonium门与Transmon耦合”，作者:Leon Ding, Max Hays, Youngkyu Sung, Bharath Kannan, Junyoung An, Agustin Di Paolo, Amir H. Karamlou, Thomas M. Hazard, Kate Azar, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Alexander Melville, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson, Jeffrey a . Grover, Kyle Serniak和William D. Oliver, 2023年9月25日，Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031035

这项工作得到了美国陆军研究办公室、美国国防部负责研究与工程的副部长、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的部分资助。