達摩院重大“遺產”！fluxonium量子比特初始化300納秒且保真度超過99%

通用量子計算機開發的主要挑戰之一是制備量子比特。十多年來，研究人員在構建量子計算機的過程中主要使用了transmon量子比特，這也是迄今為止商業上最成功的超導量子比特。

但與業界多數選擇transmon量子比特不同，（前）阿里巴巴達摩院量子實驗室選擇了fluxonium新型量子比特作為未來量子計算探索的方向。作為一種相對較新的超導量子比特，fluxoniu量子比特在理論上可獲得高操控精度的優勢，但在實際芯片制備中也更為復雜。

曾經，前達摩院量子實驗室負責人施堯耘表示：“打造可擴展的高精度量子比特平臺，是當前我們實現量子計算機的核心策略。fluxonium不再是學術界演示原理的粗糙玩具，而已然成為可與主流平臺爭鋒的工業級利器。”達摩院量子實驗室的目標之一就是深耕“以fluxonium為平臺的可規模化高精度”，以差異化的創新路徑，探索容錯量子計算的核心技術。

為達到這個目標，達摩院量子實驗室一直在行動。盡管阿里達摩院實驗室于2023年11月宣布關閉，但其實驗室團隊的成果依舊值得關注。2024年開年以來，全球物理學頂刊Physical Review Letters上發表了達摩院量子實驗室團隊兩篇針對Fluxonium量子比特研究的論文，論文分別展示了一種實現Fluxonium量子比特之間多樣化相互作用的關鍵技術即感應耦合方案與一種高效的Fluxonium量子比特初始化方案。這些研究使得Fluxonium量子比特跨出了從理論到實踐的重要一步。

目前針對fluxonium的研究

根據不同的自由度，超導量子比特主要分為三類：電荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特。其中，transmon由于簡單性和“腔量子電動力學”（cavity quantum electrodynamic，cQED）架構的靈活性，是目前最流行的超導量子比特。fluxoniu量子比特有兩個不同于Transmon的特點：它們的能級更不均勻（即“非諧波”），而且它們使用一個大電感器來取代transmon中使用的電容器。至少從理論上講，這兩點都使通子具有更強的抗錯能力，從而實現更好的“一致性”（即在更長的時間內保持量子信息），以及在實現基本操作時具有“更高的保真度”（即準確性）。

雖然過去的一些研究已經探索了基于flux量子比特的量子處理器的潛力，但其中大多數主要是提供概念驗證。然而，要在真正的量子計算機中實現這些“人造原子”，并與transmon競爭，flux量子比特需要在單個設備中的各種操作中展示出高性能——這正是阿里量子實驗室工作的關鍵目標。

2022年3月，阿里巴巴達摩院量子實驗室成功設計制造出兩比fluxoniu量子芯片，實現了單比特操控精度99.97%，兩比特iSWAP門操控精度最高達99.72%，在此類比特達全球最佳水平，是fluxonium優勢從理論到實踐的重要一步。

2022年6月28日，阿里巴巴達摩院開拓新型量子比特平臺的研究在全球物理學頂刊《Physical Review Letters》最新第129期上發表，并被選為“編輯推薦”。施堯耘表示：“這項工作是我們推進量子計算研究的關鍵一步。在我們啟動研究計劃時，我們就決定探索將fluxonium作為未來量子計算機的構件，而不是選擇主流的transmon量子比特。我們相信，這種相對較新的超導量子比特可以走得更遠。”

PRL期刊評議認為，達摩院成果在新型比特fluxonium的單一系統中實現了與主流transmon量子比特可相匹敵的高精度，可視為該領域一里程碑。

2022年7月，阿里巴巴集團達摩研究院下屬的阿里巴巴量子實驗室的研究人員開發了一種使用磁通量子比特的量子處理器，他們的論文發表在Physical Review Letters上，展示了磁通量對于開發高性能超導電路的潛力。在測試結果中，由阿里量子實驗室的量子平臺平均單量子比特門保真度達到99.97%，雙量子比特門保真度高達99.72%。這些值是當時可比的超導量子處理器中最好的結果。除了單量子比特和雙量子比特門之外，該團隊還以一種穩健的方式整合了量子計算機復位和讀出所需的其他基本操作。

2024年5月10日，Z-Axis Quantum在arXiv上刊登論文：Achieving millisecond coherence Fluxonium through overlap Josephson junctions，團隊使用一種適用于大規模超導量子芯片的制備工藝，制造出截止到目前止相干性能最好的基于可擴展平面結構的超導量子比特。Fluxonium比特因為其理論上的優勢被很多業內人士所看好，然而該類型比特的單個比特的制造復雜度遠高于Transmon，具體表現為一個Fluxonium比特由100多個超導隧穿節組成，而一個Transmon比特只需要1-2個節。該工作解決了規模化制備Fluxonium集成芯片技術上的困難，未來我們有望看到基于Fluxonium的高質量大規模超導量子芯片。

除了阿里達摩院外，其他國家對于fluxonium量子比特的研究同樣優秀。2023年7月，馬里蘭大學的研究人員終于實現了向前邁出的重要一步，他們制造出的Fluxonium量子比特的壽命是以前的10倍。相干時間達到了1.43毫秒，這可能看起來像一個超級短暫的時間，但它比之前的記錄升級了10倍。

研究人員相信，在相干性和穩定性方面，Fluxonium量子比特可以走得更遠。當科學家們希望使用各種指標來擴大他們的量子計算系統時，這將是非常重要的。其改進的關鍵是對工作頻率和電路參數的調整，這延長了量子比特的弛豫時間：它在可能的狀態之間傳遞的時間，在此期間可以記錄數據。

2023年10月，麻省理工學院的新型Fluxonium量子比特電路，雙量子比特門的準確率超過99.9%，單量子比特門的準確率達到99.99%。此外，研究人員利用可擴展的制造工藝在芯片上實現了這一架構。這項工作開創了耦合兩個Fluxonium量子比特的新架構。所實現的門保真度不僅是有記錄以來最好的，而且與目前占主導地位的量子比特Transmon的門保真度相當。更重要的是，該架構還提供了參數選擇的高度靈活性，這對于升級為多量子比特通子處理器至關重要。

來源：AQT-LBNL（勞倫斯伯克利國家實驗室的量子技術公司）提供的SEM圖像展示了使用無橋制造技術構建的Fluxonium量子比特

實現具有突破性的20納秒受控Z門
門平均保真度達到99.53%

2月8日，Physical Review Letters上發表達摩院量子實驗室團隊題為“Native Approach to Controlled-Gates in Inductively Coupled Fluxonium Qubits”的論文，團隊提出并展示了一種感應耦合方案，為Fluxonium提供了豐富的本地量子比特間的相互作用選擇。團隊還展示了一個20納秒的受控Z門，平均保真度為99.53%。這個高保真度的結果不僅證實了該方案的有效性，還揭示了一個有前景但很少探索的參數空間，該空間特別適合于Fluxonium量子比特之間的門操作。

在量子計算領域，Fluxonium量子比特因其出色的相干特性和對電荷波動的高保護能力而備受關注，被認為是有希望實現門基量子信息處理的有希望的平臺。這種量子比特的設計能夠顯著減少由電荷噪聲引起的退相干，這對于提高量子計算操作的穩定性和可靠性至關重要。然而，Fluxonium量子比特的這種高保護特性也帶來了一些挑戰。特別是在電容耦合的情況下，量子比特之間的相互作用主要被限制為XX相互作用，這限制了它們在執行更復雜量子算法時的能力，因為更多樣化的量子門操作，如受控Z（CZ）或受控非（CNOT）門，需要ZZ或XZ相互作用來實現。

為了克服這一限制，文章提出了一種創新的感應耦合方案。這種方案通過利用Fluxonium量子比特的本征特性，使得它們能夠實現更廣泛的量子比特-量子比特相互作用。感應耦合是一種通過磁場變化來實現量子比特之間相互作用的方法，它為精確控制量子比特間的相互作用提供了新的途徑。通過調整外部磁場，研究者們能夠在量子比特間產生所需的ZZ或XZ相互作用。這種方法不僅能夠提高量子門操作的多樣性，還能夠在不犧牲Fluxonium量子比特高相干特性的前提下，實現更復雜的量子算法和量子錯誤校正協議。因此，感應耦合方案為Fluxonium量子比特的實際應用和量子計算機的發展開辟了新的可能性。

感應耦合的Fluxonium對

ZZ相互作用允許實現的條件相位門

其中，ZZ相互作用是感應耦合方案的一個關鍵應用。ZZ相互作用在量子計算中扮演著至關重要的角色，特別是在實現多量子比特糾纏和量子門操作方面。在本文中，研究者們采用了一種獨特的方法來激活和利用ZZ相互作用，這種方法完全依賴于Fluxonium量子比特的特性以及外部通量的精確控制。

Fluxonium量子比特的設計允許通過外部磁場的調整來改變其能量態，進而控制ZZ相互作用。當兩個Fluxonium量子比特都被偏置（即偏離）它們各自的通量簡并位置時，ZZ相互作用得以激活。這種偏置操作使得量子比特間的相互作用從橫向（XX）轉變為縱向（ZZ），從而允許執行更為復雜的量子糾纏操作。

這種受通量控制的ZZ相互作用的內置特性，為實現精確的兩量子比特門操作提供了一種自然的機制。通過精心設計的外部通量脈沖序列，研究者們能夠在量子比特之間引入條件相位，這是構建CNOT或受控-Z等兩量子比特門的關鍵步驟。

此外，通過控制ZZ相互作用的強度和持續時間，可以實現不同速度和類型的量子門操作，這對于設計量子算法和量子錯誤校正協議具有重要意義。在實驗中，研究者們展示了通過調整外部通量來精確控制ZZ相互作用，從而實現了高保真度的量子門操作。

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利用動態解耦來對抗由通量噪聲引起的退相干

為了進一步提高量子操作的保真度，文章中采還用了動態解耦方案的連續版本來減少兩量子比特操作中引入的額外退相干。動態解耦是一種成熟的技術，它通過在量子系統的演化過程中引入特定的控制序列，以平均掉環境中的噪聲，從而延長量子態的相干時間。在這項工作中，動態解耦被用來對抗由于通量噪聲引起的退相干，這對于提高量子門操作的穩定性和可靠性至關重要。

量子門的性能在30小時的時間內使用標準的隨機基準(RB)技術進行監控。誤差條對應于擬合的不確定性。

感應耦合方案、ZZ相互作用的利用以及動態解耦方案的應用，共同構成了一種全新的高保真量子門操作方法。具體來說，結合上述技術，研究者們成功實現了一個具有突破性的20納秒受控-Z門，其平均保真度高達99.53%。這一結果不僅驗證了所提出門方案的高度有效性，而且還探索了一個對于Fluxonium量子比特間的門操作來說非常有前景但之前很少被觸及的參數空間。這種高保真度的量子門操作是實現復雜量子計算任務的關鍵，因為它可以減少錯誤并提高整體量子系統的性能。

關于未來，文章提出了幾個關鍵點，為量子計算領域的進一步發展指明了方向。首先，基于感應耦合的可調諧耦合器被認為是實現更大規模量子操作的重要前提。這種耦合器能夠提供更為靈活和可控的量子比特相互作用，從而使得復雜的量子算法和量子糾錯協議能夠在更大的量子處理器上得以實現。

其次，文章指出，之前未被充分利用的本征XZ相互作用可能在實現可擴展的糾纏操作上發揮重要作用。這種相互作用的探索和利用可能會帶來新的量子門設計和量子計算策略，進而推動量子計算機的可擴展性和性能。

高效Fluxonium初始化方案：
實現300納秒內超過99%初始化保真度

6月3日，Physical Review Letters上發表達摩院量子實驗室團隊題為“Efficient Initialization of Fluxonium Qubits based on Auxiliary Energy Levels”的論文，團隊研究人員展示了一種高效的Fluxonium量子比特初始化方案，利用邊帶冷卻技術，通過調整Fluxonium的外部通量打破能量本征態的宇稱對稱性，實現了非計算量子比特躍遷與腔激發之間的相互作用。這種操作促進了單音調微波驅動下的直接邊帶躍遷，并通過對腔態的絕熱轉移進一步提高了控制，實現了300納秒內超過99%初始化保真度。最后，研究人員證明了該方案對參數變化具有魯棒性，能夠去除泄漏，并適用于多個量子比特的同時操作。這項方案為大規模Fluxonium處理器中量子錯誤校正的演示提供了一種健壯且可擴展的初始化協議。

具體來說，初始化過程是量子計算中的一個關鍵步驟，它確保量子比特能夠從一個已知狀態開始執行算法。快速且高保真的量子比特初始化對于低頻量子比特如Fluxonium至關重要，它對量子算法和量子錯誤校正碼的應用有顯著影響。在傳統的電路量子電動力學系統中，量子比特的初始化通常通過微波驅動實現，這要求量子比特與一個短壽命腔體之間進行狀態轉移，這個過程也被稱為邊帶冷卻過程。然而，由于波函數的宇稱對稱性選擇規則限制，旁帶躍遷通常需要多光子過程或強驅動。

為了解決這個問題，研究者們提出了一種利用Fluxonium通量可調性的方法，通過引入通量偏置來打破對稱性，從而實現單音邊帶驅動下的量子比特初始化。

通量-腔系統的能級圖

文章中詳細描述了初始化方案的實現過程。研究者們首先著眼于Fluxonium量子比特的非計算能級，這是量子比特能量譜中不直接參與計算過程的部分。他們的目標是實現量子比特與讀出腔之間的有效耦合，這是通過調整外部磁場來實現的。通過精心設計的外部通量，研究者們能夠在量子比特和腔體之間建立起強耦合，這種耦合是實現邊帶躍遷的關鍵。邊帶躍遷是一種量子態轉移過程，它允許量子比特從一個能級躍遷到另一個能級。

?(a) 絕熱態轉移的初始化控制序列；(b) 模擬結果與演化時間對比；(c) 初始化誤差與驅動強度和持續時間的關系；(d) 在 Ωef = 71 MHz 和 T = 500 納秒下，初始化保真度與驅動頻率和通量偏移的關系。

在耦合建立之后，研究者們采用了一種巧妙的策略來進一步提高初始化的效率。他們利用了一個輔助能級，這個能級在初始化過程中充當暗態，即它不會在系統的演化過程中被激發。通過絕熱地增加驅動強度，即緩慢地改變系統參數以保持系統的量子態，研究者們能夠將量子比特的激發態轉移到這個輔助能級上。隨后，由于腔體的強耗散特性，輔助能級的粒子數迅速轉移到了基態，也就是量子比特的初始狀態。

通過隨機基準測試表征 QA 和 QB 的單量子比特門保真度，在兩個量子比特同時初始化之后進行。

實驗結果顯示，這種初始化方案不僅效率極高，而且在300納秒的極短時間內就能完成，而且保真度超過了99%。這意味著量子比特能夠非常精確地被初始化到期望的量子態，且該過程對控制參數的變化具有很好的魯棒性。這一點對于量子計算尤為重要，因為在實際操作中，系統可能會受到各種噪聲和不穩定性的影響。

此外，文章還探討了該初始化方案在量子誤差校正（QEC）中的應用潛力，尤其是在處理泄漏錯誤方面。泄漏錯誤通常隨著門操作數量的增加而累積，且難以被QEC檢測和恢復。因此，在量子比特初始化過程中消除非計算態激發是非常理想的。文章中的方案通過強共振相互作用，使得第二激發態的人口通過腔體耗散回到基態，從而有效地去除了泄漏。

為了驗證該方案的可擴展性，研究者們展示了如何通過頻率復用技術同時初始化多個量子比特。他們使用共享的微波發生器為多個量子比特提供邊帶驅動，并采用隨機基準測試來評估單量子比特門的平均保真度，同時對另一個量子比特進行重復初始化操作。實驗結果顯示，即使在其他量子比特進行重復初始化的情況下，也不會干擾其他量子比特的狀態初始化或單量子比特門操作。

總之，這篇文章提出的Fluxonium量子比特初始化方案具有高效、高保真度、魯棒性好以及可擴展性強的特點。該方案不僅能夠快速地將量子比特初始化到期望狀態，還能夠在初始化過程中去除量子比特的第二激發態密數，有助于減少量子錯誤校正中的泄漏錯誤。

此外，該方案的實施與現有的量子比特參數選擇兼容，為大規模Fluxonium量子處理器的構建提供了重要的技術支持。隨著量子計算技術的不斷進步，這一方案有望在未來的量子計算機中發揮關鍵作用。