麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)近日公布了一種名為Fluxium的新型超導(dǎo)量子比特，其壽命遠(yuǎn)超傳統(tǒng)量子比特，據(jù)報(bào)道，雙量子比特門保真度超過(guò)99.9%，而單量子比特門保真度高達(dá)99.99%。
與此同時(shí)，他們還設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的架構(gòu)，使得涉及Fluxium量子比特的操作（稱為門）能夠達(dá)到更高的準(zhǔn)確度。
相關(guān)研究已發(fā)表于《Physical Review X》雜志上[1]。
01. Fluxium：超越傳統(tǒng)量子比特
在經(jīng)典計(jì)算中，門是對(duì)比特執(zhí)行的操作。而在量子計(jì)算中，門是對(duì)一個(gè)或兩個(gè)量子比特的邏輯運(yùn)算。因此，實(shí)現(xiàn)高精度的操作在量子系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)槿魏五e(cuò)誤都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
與傳統(tǒng)的“transmon”量子比特相比，新型的Fluxium量子比特具有更長(zhǎng)的工作壽命，最新研究可達(dá)1.43毫秒以上[2]，這意味著它們能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行算法而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。這一突破性的進(jìn)展促使麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出高精度門。
主要作者Leon Ding博士表示：“構(gòu)建大型量子計(jì)算機(jī)從強(qiáng)大的量子比特和門開(kāi)始。我們展示了一個(gè)非常有前途的雙量子比特系統(tǒng)，并展示了它在擴(kuò)展方面的許多優(yōu)勢(shì)。下一步的目標(biāo)是增加更多的量子比特[3]。”
圖｜器件概述和門原理。(a) 兩個(gè) Fluxium 量子比特（紅色）電容耦合至可調(diào)諧 Transmon 耦合器（藍(lán)色）的簡(jiǎn)化電路原理圖。(b) 兩個(gè) Fluxium 量子比特和 Transmon 及其讀出諧振器、電荷線和局部通量線的假彩色光學(xué)顯微照片。102 個(gè)串聯(lián)的約瑟夫森結(jié)陣列形成了 Fluxium 電感。(c) 能級(jí)圖說(shuō)明 CZ 門的原理。在實(shí)踐中，水平| 201 , | 102 ，和 | 111 是高度雜交的，并且選擇性地驅(qū)動(dòng)這些躍遷中的任何一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生 CZ 門。
圖｜如何使用新的“本征自旋軌道 EDSR”過(guò)程控制多個(gè)量子比特（來(lái)源：Tony Melov）
02. 從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)
當(dāng)下，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立了一家名為Atlantic Quantum的初創(chuàng)公司，旨在利用Fluxium量子比特構(gòu)建商用量子計(jì)算機(jī)。
Atlantic Quantum 首席執(zhí)行官 Bharath Kannan 博士表示：“這些結(jié)果可以立即應(yīng)用，并可能改變整個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。我們堅(jiān)信，這種架構(gòu)，或者類似的使用 Fluxium 量子比特的架構(gòu)，在實(shí)際構(gòu)建有用的、容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)方面顯示出了巨大的希望。”
圖｜超導(dǎo)量子比特架構(gòu)的藝術(shù)渲染圖（來(lái)源：Krantz Nanoart）
阿里巴巴全球研究機(jī)構(gòu)的 Chunqing Deng 等專家對(duì)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的工作給予了高度評(píng)價(jià)，稱其為量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。
Deng表示：“這項(xiàng)工作開(kāi)創(chuàng)了一種耦合兩個(gè) Fluxium 量子比特的新架構(gòu)。所實(shí)現(xiàn)的門保真度不僅是 Fluxium 有史以來(lái)最好的，而且與目前占主導(dǎo)地位的量子比特 Transmons 的門保真度相當(dāng)。更重要的是，該架構(gòu)還在參數(shù)選擇方面提供了高度的靈活性，這是擴(kuò)展到多量子比特 Fluxium 處理器所必需的功能。”
“對(duì)于我們這些相信 Fluxium 從根本上來(lái)說(shuō)是比 Transmon 更好的量子比特的人來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是一個(gè)令人興奮和肯定的里程碑。它不僅會(huì)促進(jìn) Fluxium 處理器的發(fā)展，而且更廣泛地會(huì)促進(jìn)替代 Transmons 的量子比特的發(fā)展。”
然而當(dāng)下， Transmons超導(dǎo)量子比特發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，科技巨頭谷歌、IBM等公司均參與其中。并且，IBM當(dāng)下已推出433-Q量子計(jì)算系統(tǒng)。
Fluxium超導(dǎo)量子比特雖具有毫秒級(jí)別較長(zhǎng)的相干時(shí)間，但尚處于“萌芽”階段，是否能如阿里巴巴研究專家所說(shuō)，廣泛地促進(jìn)替代 Transmons 的量子比特的發(fā)展，讓我們拭目以待。
引用：
[1]https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.031035
[2]https://phys.org/news/2023-07-millisecond-coherence-fluxonium-qubit.html
[3]https://news.mit.edu/2023/new-qubit-circuit-enables-quantum-operations-higher-accuracy-0925
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