文章来源： 南京大学物理学院
近日，南京大学物理学院于扬教授课题组提出了一种新颖的增强超导量子比特连接性的方案，取得了重要的科研成果。该方案的核心思想是：利用量子比特和多模腔的色散效应，通过同时向驱动腔中注入光子，借助腔模诱导两个量子比特间的纠缠相位，连接两个非邻域的超导量子比特。此方案有效解决了超导量子比特长程相互作用的难题，研究结果不仅具有重要的物理意义，还为拓展超导量子比特的规模、实现容错量子计算提供了关键技术支撑。这一研究成果以“Long-Range ZZ Interaction via Resonator-Induced Phase in Superconducting Qubits”为题，于2025年1月16日发表于Physical Review Letters期刊 [Phys. Rev. Lett. 134, 020801 (2025)]。
在量子计算的研究中，开发高编码率、低容错阈值的量子纠错码，并设计与之匹配的量子芯片架构，始终是技术突破的核心难题。当前超导量子芯片的比特数目在达到百比特数目量级，就面临着良品率、布线、散热、串扰等一系列技术挑战。为应对这些挑战，一方面需要开发模块化量子芯片技术以实现大规模超导量子处理器，另一方面也需通过增强连接性的量子芯片架构，提高量子纠错的编码效率。作为实现容错量子计算的有力候选平台，超导量子比特已成为量子计算领域的研究热点。然而，作为固态量子系统的超导量子比特，通常只能实现邻近量子比特之间的耦合，并且受限于较短的连接距离。这些连接瓶颈不仅限制了当前量子芯片实现有效可靠的量子纠错，也极大地制约在研究复杂量子多体物理等方面的应用。
为此，研究团队提出了一种可以实现超导量子比特长程纠缠的方案。具体来说，如图1所示，研究人员结合目前微加工成熟的谐振腔技术，将微波驱动的两个谐振腔和一个长程的谐振腔连接起来，通过注入微波光子，由于谐振腔引发的相位被巧妙地利用来促进量子比特之间的非局域相互作用，可以实现量子比特间的长程耦合。该方案具有结构简单、操作灵活的特点，基于现有微纳加工技术，可以直接应用于当前的超导量子处理器，从而提供一种新的模块化技术途径，同时还可以用来增强超导量子比特的连接性。该研究工作通过理论计算发现，在FSR = 1.4 GHz的多模腔上能够在小于100 ns的操控时间内实现保真度超过99%的CZ门（如图2上半部分）。这里的FSR是指该谐振腔的自由光谱区，即FSR = c/(2d)，c表示微波光子通过距离为d的谐振腔时的速度。同时为了抑制残留光子数，如图2下半部分，该工作展示了在FSR = 0.2 GHz时，使用最优控制技术成功在100 ns左右将光子数抑制到
图1:方案设计的基本结构和应用在超导量子处理器的一种连接架构
图2:在FSR = 1.4 GHz时实现CZ门的保真度和FSR = 0.2 GHz时谐振腔内残余光子数。
南京大学物理学院博士研究生邓翔和博士后郑文为论文共同第一作者，于扬教授和博士后郑文为共同通讯作者。署名单位包括南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室、狮山量子计算与量子探测前沿实验室、合肥国家实验室等。该工作得到量子科学与技术创新计划、国家自然科学基金、江苏省卓越博士后计划、山东省自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.020801
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