新量子控制方法突破了大规模通用量子计算的关键障碍之一
芝加哥大学的计算机科学家和物理学家进行了一项合作，他们在如何将控制信号放入到稀释制冷机内的研究中取得进展，这突破了大规模量子计算的关键障碍之一。芝加哥大学的这个研究小组使用超导单通量量子(SFQ)脉冲演示了一种低误差的双量子比特操作，这种SFQ脉冲是由稀释制冷机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。
当前的量子芯片必须放置在稀释制冷机中的极低温度下，但却在室温下通过经典控制器进行信号控制。这种设置所需的成本和硬件限制了该技术的可扩展性，如果要想让这种新技术在密码学、分子模拟和其他应用方面发挥出巨大潜力，可扩展性是必须要克服的障碍。
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，目前最高可达约100个量子比特。这些原型机中的量子芯片位于毫开尔文温度下的稀释制冷机内，并且通过在室温下的经典控制器为每个量子比特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需要巨大的能源成本，所以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，论文中提出的一种解决方法是在稀释制冷机内部生成控制信号并路由。SFQ是一种传统的逻辑技术，可以在量子计算机的制冷机内以极低的功耗运行，从而使制冷机内的控制器具有最大的可扩展性。先前的一些工作使用遗传算法来寻找SFQ脉冲序列，这种序列使用SFQ脉冲实现了具有低误差的单量子比特操作。然而，对基于SFQ的双量子比特运算研究的很少，而双量子比特门对实现通用量子计算是至关重要的。
芝加哥大学的研究人员发现，由于量子比特对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。在这里，计算子空间包含了量子比特的前两个能级，泄漏是指在门的末端测量量子比特处于更高能级的概率。
芝加哥大学的博士候选人、论文合著者Mohammad Reza Jokar说：“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。”
先前基于SFQ的单量子比特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的双量子比特操作。芝加哥大学的研究人员发现，在执行基于SFQ的双量子比特操作期间，如果没有主动抑制泄漏，就会发生泄漏，而且他们的模型将无法捕捉到这些泄漏。
因此，在软件层面，研究人员改进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脉冲后惩罚该能级的泄漏，从而实现主动抑制了量子门过程中的泄漏。此外，他们扩展了解决方案空间，并接受了精确到绕Z轴旋转的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轴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。
在硬件层面上，研究人员研究了不同的量子比特架构的潜在优势。除了广泛使用的transmon量子比特之外，他们还研究了具有高非谐性并且能自然抑制泄漏的fluxonium量子比特。他们还研究了使用电感耦合代替电容耦合的影响，表明它可以实现低泄漏和短量子门时间的双量子位门。最后，他们研究了尖端角(tip angle)的影响，这是一个决定每个SFQ脉冲沉积能量的参数。更小的尖端角允许对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。
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。
Jokar说:“在本文中，我们研究了实现基于SFQz双量子比特门的实际意义。接下来的一个关键步骤是设计一个制冷机内的控制器架构，以便拥有一个完整的控制器系统。”（编译:Qtech）
