南京大学于扬团队与合作者在超导量子芯片高保真度双量子门操控上取得新进展

南京大学物理学院于扬团队和南方科技大学俞大鹏院士团队通力合作,提出新的超导量子芯片方案,可以提升量子比特的量子相干性,提高两量子比特逻辑门的保真度。

超导量子芯片是实现量子计算最有希望的方案之一,谷歌在2019年9月利用53比特的超导量子芯片实现了超越最快经典计算机的目标。但是,要实现实用化量子计算,量子操控的精度还需要大幅度提高。量子计算一般需要单比特逻辑门和适时的两比特逻辑门来完成,目前单比特逻辑门保真度可以达到99.95%以上,主要受到退相干时间限制,但两比特逻辑门保真度只能达到99.5%,主要受耦合形式、控制线路影响。提高两比特逻辑门精度的难点在于量子计算需要适时的两比特逻辑操作,有时需要耦合,有时需要退耦进行单比特操作,因此需要一个开关比很高的高速开关。于扬团队提出把超导量子比特特征频率固定并且稍微有0.5GHz的失谐量,再利用一个频率远高于超导比特的可调的谐振腔把两个比特耦合起来,调节谐振腔,可以实现三个数量级以上的开关比,而且快速调谐振腔不会影响量子比特。此外,由于量子比特频率固定,极大地提高了量子比特的退相干时间,也是的量子比特的标定大幅度简化,因而有希望成为今后超导量子芯片设计的趋势。南方科大俞大鹏院士团队的燕飞、徐源、李剑、刘松等用已有的芯片进行了实验验证,发现两比特保真度在30纳秒速度下可以达到99.5%,该保真度主要是受退相干限制,如果退相干时间能达到国际平均水平,保真度可以达到99.8%以上。

图一、两个量子比特通过耦合器实现可控耦合,调节耦合器可以得到三个数量级的开关比

图二、两比特CZ逻辑门保真度达到99.5%。

该研究成果近日以A high-fidelity, high-scalability two-qubit gate scheme for superconducting qubits为题,发表在《Physical Review Letters》上 [PHYSICAL REVIEW LETTERS 125, 240503 (2020)]。南京大学物理学院硕士生储继为论文共同第一作者,谭新生副教授为共同通讯作者。该项课题的研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、广东省重点领域研发计划支持。