2026年5月12日——量子计算机有朝一日或许能解决经典计算机难以处理的复杂问题，例如模拟复杂的分子相互作用，从而加速药物发现和材料开发与材料研发。

然而，要构建一台规模足够大、且足够稳定以用于实际应用的超导量子计算机，科学家必须精确设计数千个量子电路，使其以尽可能低的错误率执行运算。

为了帮助科学家设计可预测性更强的电路，来自麻省理工学院（MIT）与林肯实验室（Lincoln Laboratory）的研究人员开发了一项技术，用于测量一种会导致超导量子电路意外偏离预期行为的特性。他们的分析揭示了这些失真的来源——即所谓的二阶谐波修正，并指出其导致了电路架构的性能不佳。

MIT 的研究人员制造了一个器件，用于检测二阶谐波修正、确定其来源，并精确测量其强度。这一技术有助于科学家有意识地设计能够抵消这些偏差影响的量子电路。

这一点在更大、更复杂的量子电路中尤为重要，因为在这些电路中，二阶谐波修正的负面影响会被放大。

“随着量子计算机规模不断做大，我们希望对这些器件的参数实现更精确的控制。识别并测量这些效应，对于我们准确理解这些系统的构建方式至关重要。深入研究电路，看看是否存在你未曾预料到的影响，这一点始终非常重要，因为它会直接影响器件的性能。” 麻省理工学院研究实验室电子学（RLE）工程量子系统（EQuS）研究组的科研科学家、同时也是该论文的共同第一作者表示。

论文的共同第一作者还包括电气工程与计算机科学（EECS）研究生Junghyun Kim，同样来自EQuS组；资深作者是Henry Ellis Warren（1894）EECS教授、物理学教授、EQuS组负责人、量子工程中心主任以及RLE副主任。其他合作者来自MIT与林肯实验室。该研究今日发表于《自然·物理》（Nature Physics）。

一个成对出现的问题

在利用超导电路的量子计算机（众多潜在计算平台之一）中，约瑟夫森结是实现信息传输与操控的关键元件。这些器件将两根超导线紧密靠近，并在它们之间设置一个纳米尺度的势垒。与传统电路类似，约瑟夫森结中的电荷由电子承载。

但在超导电路中，承载电荷的电子会成对出现，形成所谓的库珀对。这些库珀对。这些库珀对。这些库珀对能够“量子隧穿过两根导线之间的势垒，从而将电流从一根导线传输到另一根。

通常，库珀对一次只能隧穿一对，这是量子计算得以实现的关键特性。

“如果你试图强行让更多的库珀对通过，是行不通的。这种非线性效应对我们的所有电路都极其重要。如果没有这种效应，我们就无法控制或操控存储在这些电路中的任何量子信息。” Hays 解释道。

但有时，库珀对会意外地同时挤过势垒，这被称为二阶谐波修正。这种会限制那些仅允许单对隧穿的量子电路的性能。

“如果两个库珀对同时隧穿，那么我们用来构建电路的假设就不再成立了。我们需要修正电路，使其能够应对这种情况。” Kim 说。

但在修正电路之前，科学家需要先了解这些的来源和强度。

为了获取这些信息，MIT 的研究人员制造了一个对该效应极为敏感的量子电路。本质上，该器件被设计成抑制单对库珀的量子隧穿过程，同时允许双对隧穿过程继续进行。

通过这种方式，他们可以检测到二阶谐波的存在并精确测量其强度。

直击源头

他们还可以利用这个电路来精确定位这些谐波的来源，这有助于研究人员确定最佳的修正它们的最佳方法。

二阶谐波有两个潜在来源——一种源于约瑟夫森结自身的动力学特性，另一种则是由连接约瑟夫森结与其他电路元件的导线引起的。

虽然此前的研究表明二阶谐可能源于约瑟夫森结的动力学特性，但MIT的研究人员发现，其器件中的实际来源是电路中导线的附加电感——即阻碍电流流动电流变化的能力——才是实际来源。

“这一点很重要，因为如果我们知道二阶谐修正的来源，就能预测其可能强度，并利用这些信息来设计可预测性更强的电路，从而有望获得更好的性能。” Hays 说。

未来，研究人员希望设计实验，更准确地预测当二阶谐修正发生时器件的性能表现。他们还希望研究二阶谐修正的其他来源，以及这些来源在不同制造条件下是否会对电路产生负面影响。

这项工作部分得到了美国能源部由美国能源部（U.S. Department of Energy）、美国量子优势协同设计中心（U.S. Co-design Center for Quantum Advantage）、美国空军（U.S. Air Force）、韩国高等研究基金会（Korea Foundation for Advanced Studies）以及麻省理工学院情报界博士后研究奖学金项目（Intelligence Community Postdoctoral Research Fellowship Program at MIT）资助。