超导量子比特有望成为构建容错量子计算机的平台。最近的成就表明，随着码大小的增加，可以抑制逻辑错误。然而，泄漏到非计算状态是包括超导线路在内的实际量子系统中的一个常见问题，它引入了关联错误，从而破坏了量子纠错（QEC）的可扩展性。10月24日，南方科技大学、深圳国际量子研究院、合肥国家实验室深圳分院的俞大鹏院士团队在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Coupler-Assisted Leakage Reduction for Scalable Quantum Error Correction with Superconducting Qubits”（使用耦合器协助减少超导量子比特泄漏的可扩展量子纠错）的研究论文，Xiaohan Yang、Ji Chu为论文共同第一作者，Ji Chu、钟有鹏研究员为论文共同通讯作者。
在本文中，研究团队提出并演示了一种利用可调谐耦合器的泄漏减少方案。可调谐耦合器是大规模超导量子处理器中广泛采用的组件。利用耦合器的强频率可调谐性以及耦合器和读取谐振器之间的杂散相互作用，消除了耦合器上的状态泄漏，从而抑制了耦合器之间布居传播引起的空间关联错误。在耦合器的协助下，研究团队以高效率（98.1%）和计算子空间的低错误率（0.58%），进一步减少量子比特更高能级的泄漏，从而抑制了QEC周期期间的时间关联错误。该方案的性能证明了它作为具有超导量子比特的可扩展QEC不可或缺的构建块的潜力。
背景
通过将逻辑量子比特的量子信息冗余地编码到由多个物理量子比特张成的大希尔伯特空间，量子纠错（QEC）搭建了量子计算设备中的物理错误率与实用量子算法中的低逻辑错误率之间的桥梁。QEC的可扩展性取决于如下假设——被抑制的物理错误在空间和时间上均充分不关联。然而，用于创建量子比特的实际量子系统具有多个能级，并且许多量子操作依赖于非计算能级。在量子操作过程中泄漏到这些非计算能级，即使每次操作的概率很低，也会导致关联错误，从而降低规模对逻辑错误的指数抑制。为了在保存存储信息的同时，解决量子比特上的泄漏问题，提出了与QEC线路兼容的泄漏减少单元（leakage reduction unit，LRU），最近已有多项工作在超导量子比特上进行了实验演示。表面码是最出色的量子纠错码之一，因为它具有异常高的容错能力和硬件友好的最近邻连通性。超导transmon量子比特是一个特别吸引人的用来实现表面码的平台，最近表面码大小的增加使得逻辑错误被抑制证明这一点。高相干可调谐耦合器支持高保真双量子比特门和抑制伪相互作用，在这一里程碑式的成就中发挥了至关重要的作用。然而，耦合器的引入也引入了新的泄漏通道。耦合器上的长寿泄漏布居主要由耦合器协助的双量子比特门引起，并且降低后续量子门的性能会导致时间关联错误。此外，耦合器上的布居会传播到相邻的耦合器，并引起与空间关联错误，这是一个尚未解决的问题。因此，亟需一种配备可调谐耦合器的超导处理器的全面泄漏减少方案。
理论方法
研究人员提出了一种由耦合器协助的泄漏减少方案，旨在通过精确控制量子比特与耦合器之间的相互作用来抑制泄漏。该方案的核心在于利用可调谐耦合器的频率特性来操控量子态。在超导量子处理器中，耦合器的作用是连接不同的量子比特，实现量子信息的传递。通过调整耦合器的频率，可以控制其与量子比特之间的耦合强度，从而实现对量子态的精确操控。在该研究中，耦合器的频率被调谐至与读取谐振器接近共振的状态，这一耗散区域的设置使得泄漏到耦合器上的量子态能够迅速耗散，从而减少了量子态在耦合器上的驻留时间。
实验方案
研究人员采用了一种高度集成的超导量子处理器，结构为由66个超导transmon量子比特组成的二维网格，每个量子比特都可以与其四个最近邻的量子比特进行可调谐耦合，且其构型专为表面码而精确定制。物理量子比特在表面码中被分为两种类型：用于存储逻辑信息的数据量子比特和用于稳定子测量的辅助量子比特。图1显示了本实验中使用的处理器上组件的布局示意图，包括两个数据量子比特D1和D2，一个辅助量子比特A，以及相邻的耦合器C1、C2、C3和相应的读取谐振器。这些谐振器通过宽带珀塞尔滤波器耦合到外部的50Ω环境中。耦合器与相邻读取谐振器之间的杂散相互作用有两种机制：直接电容耦合和量子比特介导的间接耦合，两者产生~25MHz的净耦合强度。
图1：量子处理器和具有代表性的重复稳定器测量线路的原理图。
实验的关键在于精确操控耦合器的频率，并高效地测量量子态。研究人员首先通过调整耦合器的频率，使其进入耗散区域，从而实现对泄漏到耦合器上的量子态的快速耗散。这一过程涉及到对耦合器与读取谐振器之间相互作用的精确控制，以及对量子态耗散动力学的精确测量。为了进一步减少量子比特的泄漏，研究人员采用了状态选择性的量子比特-耦合器交换操作。这一操作通过参数化的频率调制来实现，允许研究人员将量子比特的非计算状态转换回计算子空间。实验中，研究人员通过精确控制耦合器的频率，实现了对量子比特第二和第三激发态的高效操控。此外，研究人员还采用了单次分散读取技术来评估泄漏减少单元（LRU）的效率。通过对比有无LRU操作时的量子态分布，研究人员能够定量地评估LRU的性能。这些实验结果不仅验证了理论方案的有效性，还为进一步优化泄漏减少方案提供了实验数据。图4：包含f-LRU、权重为2的Z-稳定子测量线路。
过往
2023年3月23日，俞大鹏院士团队徐源课题组联合福州大学郑仕标、清华大学孙麓岩等团队，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性实验进展，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题发表在《自然》期刊上。他们通过实时重复的量子纠错技术，延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一突破向实用化可扩展通用量子计算迈出了关键一步。
主要研究人员
俞大鹏，中国科学院技术学部院士，深圳量子科学与工程研究院院长、南方科技大学物理系讲席教授。研究领域包括量子计算、低维量子材料、量子调控、微纳加工。钟有鹏，南方科技大学量子科学与工程研究院研究员。研究领域为超导量子计算。https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.170601https://siqse.sustech.edu.cn/Zh/Index/staff_detail/mid/58/id/1482https://siqse.sustech.edu.cn/Zh/Index/staff_detail/mid/58/id/962https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/102345.htmhttps://doi.org/10.1038/s41586-023-05784-4