超导量子线路中的两比特绝热门

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超导量子电路被认为是最有望实现大规模量子计算的候选方案之一。而高保真度的量子门操作,尤其是两比特门,是展现量子优势的关键。在过去二十年中,研究者们为实现快速、高保真度的两比特门做了不懈努力。总的来说,量子门的误差有三种来源:退相干作用,寄生耦合导致的非理想相互作用,以及不理想的控制信号。(1)在当前水平下,退相干是是最主要的误差来源。提升比特的退相干时间是一项长期的工作,需要对微加工工艺和相关材料作更深入的研究。而减少门操作的时间是提升保真度最直接的方法。(2)寄生耦合的问题随着量子芯片规模的提升变得日益严重。在比特之间增加一个额外的耦合器可以有效抑制多种非理想的相互作用,这一方案近年来得到越来越多的关注。(3)实验上需要针对波形失真、串扰等问题做大量校准工作。由于绝热方案对控制参数不敏感,人们很自然地将绝热思想引入了量子门操作中。但是绝热演化受绝热条件的限制,要求门操作时间足够长,又会带来更多退相干错误。过去十多年来,多种快速绝热方案被提出来,但大部分都难以应用于两比特系统。在本文中,我首先介绍超导量子计算的一些基本理论,并对当前最流行的几种两比特门方案做一个总结。然后介绍两种用来实现快速、高保真度的两比特绝热门方案。第一种方案是基于参数调制的两比特超绝热门。在该方案中,参数调制可以实现两比特间的可调有效耦合,从而构造超绝热哈密顿量。我们在超导量子芯片上验证了这种方案,实现了超绝热SWAP门和CZ门。我们研究了SWAP门操作过程中,量子态在{|01?,|10?}子空间的演化,证明了该方案的非绝热误差很小。通过改变控制参数,我们验证了上述超绝热方案的鲁棒性。利用随机ii门标定,实验上测得的超绝热CZ门的保真度为94.2%。通过数值模拟,我们证明在更长的退相干时间下,该方案理论上可以达到99.9%的保真度。第二种方案是一种适用于固定频率比特的快速绝热的控制相位门。我们在两个频率不可调的量子比特之间加了一个频率可调的耦合器。该方案通过对耦合器的频率进行绝热调制,实现比特间ZZ耦合的开关,在|11?态上积累一个额外的相位。我们首先证明在纯Transmon系统中,通过特定的耦合设计,可以实现高对比度的ZZ耦合。在我们选取的线路参数下,ZZ耦合的强度可以从~50MHz(“ZZ”耦合打开)调节到~1k Hz(“ZZ”耦合关闭)。这种线路的一个最大优势在于比特系统和耦合器之间的强耦合(~100MHz),这种强耦合使得绝热门的速度限制比较宽松。我们给了典型实验参数下的CZ门模拟结果:在60ns的门操作时间内,CZ的误差率在理论上可以达到10-6。该方案结构简单、速度快、保真度高,具备广阔的应用前景。
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