[发明专利]实现控制相位门的超导量子芯片和方法

说明书

本发明公开了一种实现控制相位门的超导量子芯片设计方案和门操作方法。超导量子芯片包括布设于芯片底板上的若干传输子量子比特，每两个相邻的量子比特之间还设有一个可调耦合器，所述可调耦合器由平面电容和超导量子干涉器件组成成，所述电容通过所述超导量子干涉器接地以及连接调频控制线，所述可调耦合器的频率远高于所述量子比特的频率，所述超导量子芯片的线路设计满足：本发明门操作误差小、保真度高、鲁棒性强。

技术领域

本发明涉及超导量子计算领域，尤其涉及一种实现控制相位门的超导量子芯片和方法。

背景技术

高质量的量子门操作是量子处理器的关键指标，决定了量子计算机能否发挥量子优势。高保真度的量子门操作也可以有效减少量子纠错所需的比特数以及提升量子模拟的效果。目前量子系统中主要的门操作误差源自两比特门。已知报道的最高的两比特门保真度在99.5％左右[1-2]，因此改进两比特门操作方案，提高保真度是实现大规模量子计算的首要任务。

通常来说，门操作误差主要源自三部分：量子比特的退相干，门操作方案中非理想的相互作用(包括寄生耦合、态泄露)，以及系统控制参数的扰动。(1)退相干：由于量子比特与外部环境存在耦合，比特的退相干是不可避免的，尽管近年来超导量子比特的退相干时间有了大幅提升(接近百微秒量级)[3-4]，退相干依旧是主要的门操作误差来源。量子比特的退相干是一种随机性误差，一般由芯片和系统噪声决定，难以在控制方案上改进。在比特寿命一定的情况下，降低门操作的时间是最直接有效的方法。(2)寄生耦合与态泄露：以目前广泛使用的传输子(Transmon)型量子比特为例[5]，其非谐性较低(比特频率的10-30分之一)，能级之间靠得较近(对于多比特情形，能级之间的耦合更复杂)，在微波控制中，随着门操作时间的降低，脉冲信号的频谱变宽，态泄露难以避免。两比特门操作还需要考虑多比特控制时信号之间的串扰，无论是采用调频方案[6-8]还是全微波控制方案[9]，串扰都难以彻底消除。此外，频率拥挤(Frequency Crowding)也成为中等规模量子处理器中亟须解决的问题。(3)系统参数的波动：控制参数的波动是一个容易被忽略的因素，在实际实验操作中，系统参数的波动是不可避免的。很多门操作方案在理论上可以达到很高的保真度(大于99.9％)，门操作时间也较短，但门操作对参数很敏感(鲁棒性较差)。随着门操作深度的提升，系统的鲁棒性很重要。绝热门是一个提升鲁棒性的重要方案，但其往往需要足够长的演化时间，如何加速绝热门是一个重要的研究方向[7,10-15]。

综上，高质量的两比特门操作应当满足三个条件：门操作时间短，不考虑退相干条件下理论保真度足够高，具备一定鲁棒性。

现有技术中已有通过可调耦合器实现比特的间接耦合方案，这种方案中比特通过耦合器中的虚光子实现态转换，在演化过程中，态不会泄露到耦合器中。与不使用耦合器的频率调制方案相比，这种方案的优势在于可以有效地消除寄生耦合的影响，从根本上解决frequency crowding的问题。谷歌和IBM采取了不同方案实现这样的两比特门[1,9]。在谷歌的方案中，作为基本计算单元的两个量子比特被调制到共振状态，通过调节耦合器的频率，可以改变比特间的耦合强度，并在特定频率点关闭耦合，不进行态转换，当需要进行两比特门操作时，改变耦合器频率，打开耦合，实现态交换。这种方案在理论上可以实现非常高的保真度且门操作较快，但实际实验中，存在磁通串扰问题，因此，门操作误差仍然较大。IBM的方案中，比特频率不可调，通过对耦合器进行参数调制实现量子态的交换，这种方案既可以避免磁通串扰的影响，又可以获得更长的退相干时间，但是门操作速度较慢，且强调制情形下，会有部分态泄露到耦合器中，所以门操作误差仍然比较大。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中门操作误差大的问题，提供一种实现控制相位门的超导量子芯片和方法，门操作误差小、保真度高。