【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)物理學(xué)院于揚(yáng)教授課題組提出了一種新穎的增強(qiáng)超導(dǎo)量子比特連接性的方案，取得了重要的科研成果。該方案的核心思想是：利用量子比特和多模腔的色散效應(yīng)，通過同時(shí)向驅(qū)動(dòng)腔中注入光子，借助腔模誘導(dǎo)兩個(gè)量子比特間的糾纏相位，連接兩個(gè)非鄰域的超導(dǎo)量子比特。此方案有效解決了超導(dǎo)量子比特長程相互作用的難題，研究結(jié)果不僅具有重要的物理意義，還為拓展超導(dǎo)量子比特的規(guī)模、實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
 

　　在量子計(jì)算的研究中，開發(fā)高編碼率、低容錯(cuò)閾值的量子糾錯(cuò)碼，并設(shè)計(jì)與之匹配的量子芯片架構(gòu)，始終是技術(shù)突破的核心難題。當(dāng)前超導(dǎo)量子芯片的比特?cái)?shù)目在達(dá)到百比特?cái)?shù)目量級(jí)，就面臨著良品率、布線、散熱、串?dāng)_等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，一方面需要開發(fā)模塊化量子芯片技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超導(dǎo)量子處理器，另一方面也需通過增強(qiáng)連接性的量子芯片架構(gòu)，提高量子糾錯(cuò)的編碼效率。作為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的有力候選平臺(tái)，超導(dǎo)量子比特已成為量子計(jì)算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，作為固態(tài)量子系統(tǒng)的超導(dǎo)量子比特，通常只能實(shí)現(xiàn)鄰近量子比特之間的耦合，并且受限于較短的連接距離。這些連接瓶頸不僅限制了當(dāng)前量子芯片實(shí)現(xiàn)有效可靠的量子糾錯(cuò)，也極大地制約在研究復(fù)雜量子多體物理等方面的應(yīng)用。
 

　　為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特長程糾纏的方案。具體來說，如圖1所示，研究人員結(jié)合目前微加工成熟的諧振腔技術(shù)，將微波驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)諧振腔和一個(gè)長程的諧振腔連接起來，通過注入微波光子，由于諧振腔引發(fā)的相位被巧妙地利用來促進(jìn)量子比特之間的非局域相互作用，可以實(shí)現(xiàn)量子比特間的長程耦合。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活的特點(diǎn)，基于現(xiàn)有微納加工技術(shù)，可以直接應(yīng)用于當(dāng)前的超導(dǎo)量子處理器，從而提供一種新的模塊化技術(shù)途徑，同時(shí)還可以用來增強(qiáng)超導(dǎo)量子比特的連接性。該研究工作通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在FSR = 1.4 GHz的多模腔上能夠在小于100 ns的操控時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)保真度超過99%的CZ門(如圖2上半部分)。這里的FSR是指該諧振腔的自由光譜區(qū)，即FSR = c/(2d)，c表示微波光子通過距離為d的諧振腔時(shí)的速度。同時(shí)為了抑制殘留光子數(shù)，如圖2下半部分，該工作展示了在FSR = 0.2 GHz時(shí)，使用最優(yōu)控制技術(shù)成功在100 ns左右將光子數(shù)抑制到
 

　　量級(jí)。因此工作可以直接應(yīng)用在目前最先進(jìn)的超導(dǎo)量子芯片上，為量子計(jì)算機(jī)的下一階段發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。
 

圖1：方案設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用在超導(dǎo)量子處理器的一種連接架構(gòu)
 

　　圖2:在FSR = 1.4 GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)CZ門的保真度和FSR = 0.2 GHz時(shí)諧振腔內(nèi)殘余光子數(shù)。

 

　　這一研究成果以“Long-Range ZZ Interaction via Resonator-Induced Phase in Superconducting Qubits”為題，于2025年1月16日發(fā)表于Physical Review Letters期刊 [Phys. Rev. Lett. 134, 020801 (2025)]。南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生鄧翔和博士后鄭文為論文共同第一作者，于揚(yáng)教授和博士后鄭文為共同通訊作者。署名單位包括南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、獅山量子計(jì)算與量子探測前沿實(shí)驗(yàn)室、合肥國家實(shí)驗(yàn)室等。該工作得到量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省卓越博士后計(jì)劃、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。