芝加哥大学
一种新的硬件/软件策略，用于实现基于SFQ的低泄漏双量子比特门，有助于克服当今量子计算机的一个主要可扩展性障碍
学分:芝加哥大学/epiq 芝加哥大学的计算机科学家和物理学家合作，通过弄清楚如何在冰箱内移动他们的控制信号，突破了大规模量子计算的关键障碍之一
" 目前的量子芯片必须在极冷的温度下储存在稀释冰箱中，但在室温下由传统控制器的信号控制
这种设置所需的成本和硬件限制了该技术的可扩展性，这对于捕捉这种新技术在密码学、分子模拟和其他应用中的巨大潜力是必要的
UChicago研究团队利用超导单通量量子(SFQ)脉冲(冰箱内部产生的电压信号)演示了低误差两量子位操作
这一发现是实现大规模通用量子计算的重要一步
跨学科研究是作为“实现实用规模的量子计算”项目的一部分进行的，该项目是国家科学基金会在计算领域的一次探索
这项研究最近发表在2021年IEEE国际量子计算和工程会议(QCE)上，并获得了最佳论文奖
本文的作者是穆罕默德·礼萨·约卡尔、理查德·里恩斯和弗雷德里克·钟
走向大规模量子机器 超导量子计算是实现量子计算机的前沿技术之一
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，其量子比特多达100个左右
这些原型中的量子芯片位于毫开尔文温度的稀释冰箱内，通过在室温下从经典控制器发送每个量子比特的微波控制信号来执行量子操作
不幸的是，由于在室温下产生微波信号并使用同轴电缆将其传送到量子芯片的巨大能量成本，这种控制方法具有严重的可扩展性挑战
为了应对这些可扩展性挑战，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非常低的功耗运行，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，使用SFQ脉冲实现低误差的单量子比特操作
然而，对于基于SFQ的两个量子比特操作的研究却很少，这对于实现通用量子计算是必不可少的
基于SFQ的低误差双量子比特运算 宇智高的研究人员发现，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比特的前两个能级，泄漏是在门的末端以更高的能级测量量子比特的概率
博士穆罕默德·雷扎·约卡尔说:“然而，通过精心设计量子系统，优化软件和硬件，实现基于SFQ的低泄漏双量子位门是可能的。”
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芝加哥大学的候选人，QCE论文的合著者
先前关于基于SFQ的单量子比特操作的工作集中在最小化量子门末端的泄漏，这导致低泄漏门
然而，这种策略对于基于SFQ的两个量子比特的操作并不奏效
UChicago的研究人员发现，如果在基于SFQ的两个量子比特操作的执行过程中没有对泄漏进行主动抑制，那么泄漏将不会被他们的模型捕获
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，并在施加每个SFQ脉冲后将泄漏惩罚到该能级，来主动抑制量子门期间的泄漏
此外，他们扩展了解空间，并接受了精确到单量子位绕Z轴旋转的解；这种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转换或虚拟实现
通过扩大解决方案的空间，他们能够找到泄漏更少的SFQ脉冲序列
在硬件层面，研究人员检查了不同量子位架构的潜在优势
除了广泛使用的量子比特transmon，他们还研究了具有高非简谐性的fluxonium，它被设计成自然抑制泄漏
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低泄漏和短量子门时间的双量子位门
最后，他们研究了尖角的影响，这个参数决定了每个SFQ脉冲的能量沉积量
更小的尖角允许对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
本文的结果表明，在精心设计了一个SFQ友好的量子系统之后，有可能实现基于SFQ的双量子比特门，其门误差和门时间与基于微波的门相似
这些结果表明，SFQ是一个有前途的量子控制方法，因为它可以提供可扩展性以及低误差量子操作
“在这篇论文中，我们研究了实现基于SFQ的两个量子比特门的实际意义，”约卡尔说
“下一个关键步骤是设计冰箱内控制器架构，以便拥有完整的控制器系统
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