超导和离子阱是主要的两种量子计算物理实现方式，但超导和离子阱互有优劣，例如离子阱的保真度较高，超导的门操作速度优势显著。那么有没有一种兼具快速和高保真度的双量子比特门呢？最近，欧洲超导量子计算公司IQM通过引入长距离transmon耦合器，实现了同时兼具快速和高保真度的受控Z门(CZ门)——一种常见的双量子比特门。
超导量子比特的可调谐耦合器对于可扩展量子处理器架构中的隔离门操作非常重要。在这项研究中，IQM的研究人员演示了一种基于浮动transmon器件的可调谐量子比特-量子比特耦合器，可将量子比特彼此间隔至少2mm，同时保持耦合器和量子比特之间超过50MHz的耦合。使用他们提出的灵活和可扩展的新架构，演示了一个具有(99.81±0.02)%保真度的CZ门。
在引入的可调谐耦合器设计中，量子比特-量子比特和量子比特-耦合器耦合都是由两个波导介导的，而不是依赖于组件之间的直接电容耦合，减少了量子比特-量子比特距离对耦合的影响。因此这为每个量子比特留出了空间，以具有快速高保真读出所需的单独读出谐振器和Purcell滤波器。此外，大的量子比特-量子比特距离减少了不想要的非最近邻耦合，并允许多条控制线以最小的串扰穿过该结构。
相关论文《CZ门保真度高于99.8%的长距离transmon耦合器》已经提交至arXiv.org网站[1]。
01
新设计实现快速和高保真度的CZ门
实现高保真双量子比特门是可扩展量子处理器的关键要求。仅依赖静态量子比特-量子比特耦合的量子门的性能通常受到量子比特之间杂散ZZ相互作用的限制，由于耦合的开/关比较差，导致门时间较长。为了解决这一问题，人们提出了不同的越来越复杂的可调谐耦合器设计。
具有高开/关比且对量子比特相干性影响最小的可调谐耦合器的重要一步是观察到可以设计一种耦合器介导的可调谐相互作用，在高于量子比特频率的特定耦合器关闭频率下抵消静态量子比特-量子比特耦合。从那时起，这种耦合器已经成功地应用于多个实验中。
尽管无ZZ相互作用的可调谐耦合器设计在实现高保真双量子比特门方面取得了巨大的成功，但静态量子比特-量子比特耦合来自量子比特之间的直接耦合，主要是由量子比特-量子比特距离控制。因此，这给量子比特的位置带来了严重的限制，并限制了方形量子比特网格中的空间，只允许将最基本的组件放置在网格位置之间。
在研究中，IQM介绍并通过实验证明了一种扩展的浮动耦合器，它允许我们增加量子比特之间的物理距离，从而在芯片上为具有独立Purcell滤波器的读出谐振器提供空间，以实现高保真读出，并降低寄生非最近邻耦合。
此外，如果利用倒装芯片技术，长的量子比特-量子比特距离使得在量子比特-耦合器-量子比特结构上的多条控制线具有低串扰路径。在这里，具有长量子比特-量子比特距离的能力是使用两个波导扩展器实现的，这两个波导扩展器调节直接量子比特-量子比特耦合，以及量子比特和耦合器之间的耦合。这些耦合主要来自两个波导扩展器和耦合器之间的交叉指型电容器，这使得在宽范围的量子比特-量子比特距离上保持耦合成为可能。
(a)通过由波导扩展器(黑色)和浮动耦合器量子比特(红色)组成的可调谐耦合结构耦合的量子比特(蓝色和橙色)的似集总元件电路图。灰线示出了由黑色波导扩展器C和F引起的耦合电容的有效集总元件模型。(b)对于不同的量子比特-量子比特距离dqq(实线)，量子比特1和耦合器g1c、量子比特2和耦合器g2c以及量子比特1和量子比特2、g12之间的有效耦合强度的模拟。对于dqq = 1960 m(虚线)的设备，显示了测得的耦合值(具有68%置信区间的点)(c)简化倒装芯片架构的示意图，其中量子比特和耦合器通过底部芯片上的波导扩展器(浅灰色)连接，一条长的垂直传输线(黑色)穿过顶部芯片上的量子比特-耦合器结构。(d)在传输线的各种交叉位置xcross、总耦合(黑色虚线)和低串扰交叉区域(蓝色阴影)处，从每个组件到传输线(颜色与(c)中的相同)的模拟电压耦合比。
IQM研究人员为了证明对于超过1 mm的量子比特-量子比特距离，量子比特和耦合器之间的耦合足够高。他们实现了一个快速和高保真度的CZ门，对于1.96 mm的量子比特-量子比特距离，持续时间为33 ns，保真度为(99.81±0.02)%，距离比典型的可调谐耦合器设计长四倍。IQM表示，这种耦合器设计很容易扩展到方形量子比特网格，使其成为可扩展的高保真量子处理器的一个有吸引力的构建模块。
02
开发用于扩展超导量子处理器的光学接口
除了公布最新成果外，IQM还宣布与荷兰量子调制解调器公司QphoX开发用于扩展超导量子处理器的光学接口[2]。
QphoX从IQM获得第一块量子处理器芯片，开始为超导量子计算机开发新的光学互连。
IQM的新闻稿表示，今天的量子处理器面临的主要障碍之一是微波量子处理器必须在苛刻的低温环境中运行，同时通过产生大量热量的微波线路和低温放大器进行控制，从而限制了处理器的规模。随着制造商向更大的芯片迈进，找到最终允许具有数十万量子比特的计算机的可扩展方法至关重要。
QphoX首席运营官兼联合创始人Frederick Hijazi表示：“通过利用我们独特的微波到光学转换技术，信号可以通过光纤通过低温恒温器进行路由。因此，放置在低温恒温器上的空间和热负荷限制都将减少，从而允许在单个低温恒温器中构建更大的处理器。我们对开始这种新的伙伴关系感到非常兴奋。在过去的几个月里，我们一直在使用IQM的处理器，并且对质量和性能印象深刻。”
IQM首席运营官兼联合创始人Juha Vartiainen博士表示：“未来的大规模量子计算机需要光通信或低温信号生成技术，或两者兼而有之。QphoX的专业知识和技术计划是一种很有前途的替代方案，可以使用光纤将量子计算机的控制和读出信号传输到量子比特芯片。通过简化布线和新产品创新，这种合作将成为超过1000个量子比特的系统的推动力。”
[1]https://arxiv.org/abs/2208.09460
[2]https://www.meetiqm.com/articles/press-releases/iqm-and-qphox-to-develop-optical-interface/
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