新的量子位电路使量子运算具有更高的精度

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的速度更快地解决它们。

然而，当今的量子计算机还不够强大，无法在商业相关规模上实现这种纠错。

在克服这一障碍的过程中，麻省理工学院的研究人员展示了一种新颖的超导量子位架构，该架构可以在量子位(量子计算机的构建模块)之间执行操作，其精度比科学家以前能够实现的要高得多。

他们利用一种相对较新的超导量子位，称为Fluxium，其寿命比更常用的超导量子位长得多。

它们的架构涉及两个Fluxium量子位之间的特殊耦合元件，使它们能够以高度准确的方式执行逻辑运算(称为门)。它抑制了一种不需要的背景相互作用，这种相互作用可能会给量子操作带来错误。

这种方法使得双量子位门的准确度超过99.9%，单量子位门的准确度达到99.99%。此外，研究人员还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从强大的量子位和门开始。我们展示了一种非常有前途的双量子位系统，并展示了其在扩展方面的许多优势。我们的下一步是增加量子位的数量，”LeonDing博士说。D.'23，他是工程量子系统(EQuS)小组的物理学研究生，也是有关该架构的论文的主要作者。

丁与EQuS博士后马克斯·海斯(MaxHays)共同撰写了这篇论文;宋永奎博士'22;巴拉特·卡南博士22岁，现任AtlanticQuantum首席执行官;KyleSerniak，麻省理工学院林肯实验室的科学家兼团队负责人;资深作者威廉·D·奥利弗(WilliamD.Oliver)，亨利·埃利斯·沃伦(HenryEllisWarren)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麻省理工学院林肯实验室的其他人。该研究今天发表在《PhysicalReviewX》上。

Fluxium量子比特的新尝试

在经典计算机中，门是对位(一系列1和0)执行的逻辑运算，以实现计算。量子计算中的门可以用同样的方式来思考：单个量子位门是对一个量子位的逻辑运算，而双量子位门是一种取决于两个连接的量子位的状态的运算。

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至关重要，因为量子误差呈指数累积。由于大规模系统中发生数十亿次量子运算，看似少量的错误可能会迅速导致整个系统失败。

实际上，可以使用纠错码来实现如此低的错误率。然而，操作必须超越“保真度阈值”才能实现这些代码。此外，将保真度远远超出此阈值可以减少实现纠错码所需的开销。

十多年来，研究人员主要使用传输量子比特来构建量子计算机。另一种类型的超导量子位，称为Fluxium量子位，是最近出现的。Fluxium量子位已被证明比Transmon量子位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可以执行操作或运行算法的时间的指标。

“量子位的寿命越长，它所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Fluxium量子位本身表现得很好，是否可以对它们执行良好的门，”丁说。

丁和他的合作者第一次找到了一种在能够支持极其稳健、高保真门的架构中使用这些寿命较长的量子位的方法。在他们的架构中，fluxonia量子位能够实现超过一毫秒的相干时间，比传统的transmon量子位长约10倍。

海斯说：“在过去的几年里，已经有多次证明Fluxium在单量子位水平上优于Transmons。”“我们的工作表明，这种性能提升也可以扩展到量子位之间的交互。”

Fluxium量子位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位技术的设计和制造方面拥有专业知识。

“这个实验是我们所说的‘单团队模式’的典范：EQuS团队和MIT-LL的超导量子位团队之间的密切合作，”Serniak说。“这里特别值得强调的是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Fluxium和其他新的量子位电路。”

更牢固的联系

他们的新颖架构涉及一个电路，该电路两端都有两个Fluxium量子位，中间有一个可调谐传输耦合器将它们连接在一起。这种Fluxium-transmon-fluxium(FTF)架构比直接连接两个Fluxium量子位的方法具有更强的耦合性。

FTF还可以最大限度地减少量子操作期间后台发生的不需要的相互作用。通常，量子位之间更强的耦合会导致更多这种持续的背景噪声，称为静态ZZ相互作用。但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Fluxium量子位的较长相干时间是使研究人员能够证明99.99%的单量子位门保真度和99.9%的双量子位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进行错误检测。

“量子纠错通过冗余构建系统弹性。通过添加更多量子位，我们可以提高整体系统性能，前提是每个量子位都‘足够好’。”想象一下尝试与一屋子幼儿园的孩子一起执行一项任务。这很混乱，增加更多的幼儿园学生并不会让情况变得更好，”奥利弗解释道。

“然而，几个成熟的研究生一起工作会带来超越任何一个个人的性能——这是阈值概念。虽然建造一台可扩展的量子计算机还有很多工作要做，但首先要拥有高质量的量子运算，远高于阈值。”

在这些成果的基础上，Ding、Sung、Kannan、Oliver等人最近创立了一家量子计算初创公司AtlanticQuantum。该公司寻求使用Fluxium量子位来构建适用于商业和工业应用的可行量子计算机。

“这些结果可以立即应用，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，这种架构或类似的使用Fluxium量子比特的架构，在实际应用方面显示出了巨大的希望。建造一台有用的、容错的量子计算机，”坎南说。

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用于耦合两个Fluxium量子位的新架构。所实现的门保真度不仅是Fluxium有记录以来最好的，而且与目前占主导地位的量子位Transmons的门保真度相当。更重要的是，该架构还提供了高保真度。参数选择的灵活性，这是扩展到多量子位Fluxium处理器的关键特征。”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(未参与该项目)说道。这项工作。

“对于我们这些相信Fluxium从根本上来说是比Transmon更好的量子位的人来说，这项工作是一个令人兴奋和肯定的里程碑。它不仅会促进Fluxium处理器的发展，而且更广泛地会促进Transmon的量子位替代品的发展。”