芝加哥大学计算机科学家和物理学家之间的一项合作，通过研究如何在“冰箱内”移动控制信号，突破了大规模量子计算的关键障碍之一。

当前的量子芯片必须存储在稀释冰箱内的极冷温度下，但在室温下由来自经典控制器的信号控制。这种设置所需的成本和硬件限制了技术的可扩展性，这对于捕捉这项新技术在密码学、分子模拟和其他应用方面的巨大潜力是必要的。

一种用于实现基于 SFQ 的低泄漏双量子比特门的新硬件/软件策略可以帮助克服当今量子计算机的主要可扩展性障碍。图片来源：芝加哥大学/EPiQC

芝加哥大学研究小组使用超导单通量量子 (SFQ) 脉冲演示了低误差的双量子比特操作，这些脉冲是冰箱内部产生的电压信号。这一发现是实现大规模通用量子计算的重要一步。

这项跨学科研究是作为 NSF 计算远征的启用实用规模量子计算 (EPiQC) 项目的一部分进行的。

迈向大规模量子计算

超导量子计算是实现量子计算机的领先技术之一。由于工业界和学术界的努力，近年来已经制造出基于这种技术的小型量子计算机原型，最高可达约 100 个量子比特。这些原型中的量子芯片位于毫开尔文温度下的稀释冰箱内，并且通过在室温下从经典控制器为每个量子位发送微波控制信号来执行量子操作。不幸的是，由于在室温下生成微波信号并使用同轴电缆将它们路由到量子芯片的巨大能源成本，这种控制方法具有严重的可扩展性挑战。

为了解决这些可扩展性挑战，文献中提出的一种解决方案是在量子冰箱内部本地生成和路由控制信号。SFQ 是一种经典的逻辑技术，可以在量子冰箱内以极低的功耗运行，从而使冰箱内控制器具有最大的可扩展性。先前的工作使用遗传算法来寻找 SFQ 脉冲序列，这些脉冲序列使用 SFQ 脉冲实现具有低误差的单量子位操作。然而，对基于 SFQ 的双量子位运算的研究很少，这对于实现通用量子计算至关重要。

基于 SFQ 的低误差双量子位运算

芝加哥大学的研究人员发现，由于量子比特的非计算子空间的高泄漏，实现基于 SFQ 的双量子比特门具有挑战性。这里，计算子空间包括量子位的前两个能级，泄漏是在门的末端以更高的能级测量量子位的概率。

“然而，通过仔细设计量子系统并优化软件和硬件，实现基于 SFQ 的低泄漏双量子比特门是可能的，”博士 Mohammad Reza Jokar 说，他是芝加哥大学的候选人和 QCE 论文的合著者。

先前基于 SFQ 的单量子位操作的工作重点是最大限度地减少量子门末端的泄漏，从而实现低泄漏门。但是，这种策略不适用于基于 SFQ 的双量子位操作。芝加哥大学的研究人员发现，在执行基于 SFQ 的双量子位操作期间，如果没有主动抑制泄漏，就会发生泄漏，而他们的模型将无法捕捉到这些泄漏。

因此，在软件层面，研究人员修改了现有的量子最优控制方法，通过模拟一个额外的能级并在应用每个 SFQ 脉冲后将泄漏惩罚到该能级，从而主动抑制量子门期间的泄漏。此外，他们扩展了解决方案空间并接受了精确到围绕 Z 轴旋转单量子比特的解决方案；这样的解决方案是可以接受的，因为 Z 旋转通常可以通过后续操作进行交换或虚拟实现。通过扩展解决方案空间，他们能够找到泄漏较低的 SFQ 脉冲序列。

在硬件层面，研究人员检查了不同的量子比特架构的潜在优势。除了广泛使用的量子比特 transmon 之外，他们还研究了具有高非谐性并且旨在自然抑制泄漏的氟鎓。他们还研究了使用电感耦合代替电容耦合的影响，并表明它可以帮助实现具有低泄漏和短量子门时间的双量子比特门。最后，他们研究了尖端角的影响，这是一个决定每个 SFQ 脉冲沉积的能量量的参数。更小的尖端角度允许对 SFQ 脉冲序列进行更精细的控制，这有助于实现更好的量子门和更低的泄漏。

论文中的结果表明，在精心设计了一个对 SFQ 友好的量子系统之后，可以实现基于 SFQ 的双量子比特门，其门错误和门时间类似于基于微波的门。这些结果表明，SFQ 是一种很有前途的量子控制方法，因为它可以提供可扩展性以及低错误的量子操作。

“在本文中，我们研究了实现基于 SFQ 的双量子比特门的实际意义，”Jokar 说：“接下来的一个关键步骤是设计一个冰箱内控制器架构，以便拥有一个完整的控制器系统。”