【儀表網 研發快訊】近日，南京大學物理學院于揚教授課題組提出了一種新穎的增強超導量子比特連接性的方案，取得了重要的科研成果。該方案的核心思想是：利用量子比特和多模腔的色散效應，通過同時向驅動腔中注入光子，借助腔模誘導兩個量子比特間的糾纏相位，連接兩個非鄰域的超導量子比特。此方案有效解決了超導量子比特長程相互作用的難題，研究結果不僅具有重要的物理意義，還為拓展超導量子比特的規模、實現容錯量子計算提供了關鍵技術支撐。
在量子計算的研究中，開發高編碼率、低容錯閾值的量子糾錯碼，并設計與之匹配的量子芯片架構，始終是技術突破的核心難題。當前超導量子芯片的比特數目在達到百比特數目量級，就面臨著良品率、布線、散熱、串擾等一系列技術挑戰。為應對這些挑戰，一方面需要開發模塊化量子芯片技術以實現大規模超導量子處理器，另一方面也需通過增強連接性的量子芯片架構，提高量子糾錯的編碼效率。作為實現容錯量子計算的有力候選平臺，超導量子比特已成為量子計算領域的研究熱點。然而，作為固態量子系統的超導量子比特，通常只能實現鄰近量子比特之間的耦合，并且受限于較短的連接距離。這些連接瓶頸不僅限制了當前量子芯片實現有效可靠的量子糾錯，也極大地制約在研究復雜量子多體物理等方面的應用。
為此，研究團隊提出了一種可以實現超導量子比特長程糾纏的方案。具體來說，如圖1所示，研究人員結合目前微加工成熟的諧振腔技術，將微波驅動的兩個諧振腔和一個長程的諧振腔連接起來，通過注入微波光子，由于諧振腔引發的相位被巧妙地利用來促進量子比特之間的非局域相互作用，可以實現量子比特間的長程耦合。該方案具有結構簡單、操作靈活的特點，基于現有微納加工技術，可以直接應用于當前的超導量子處理器，從而提供一種新的模塊化技術途徑，同時還可以用來增強超導量子比特的連接性。該研究工作通過理論計算發現，在FSR = 1.4 GHz的多模腔上能夠在小于100 ns的操控時間內實現保真度超過99%的CZ門(如圖2上半部分)。這里的FSR是指該諧振腔的自由光譜區，即FSR = c/(2d)，c表示微波光子通過距離為d的諧振腔時的速度。同時為了抑制殘留光子數，如圖2下半部分，該工作展示了在FSR = 0.2 GHz時，使用最優控制技術成功在100 ns左右將光子數抑制到
量級。因此工作可以直接應用在目前最先進的超導量子芯片上，為量子計算機的下一階段發展提供了重要的技術支撐。
圖1：方案設計的基本結構和應用在超導量子處理器的一種連接架構
圖2:在FSR = 1.4 GHz時實現CZ門的保真度和FSR = 0.2 GHz時諧振腔內殘余光子數。
這一研究成果以“Long-Range ZZ Interaction via Resonator-Induced Phase in Superconducting Qubits”為題，于2025年1月16日發表于Physical Review Letters期刊 [Phys. Rev. Lett. 134, 020801 (2025)]。南京大學物理學院博士研究生鄧翔和博士后鄭文為論文共同第一作者，于揚教授和博士后鄭文為共同通訊作者。署名單位包括南京大學物理學院、固體微結構國家重點實驗室、獅山量子計算與量子探測前沿實驗室、合肥國家實驗室等。該工作得到量子科學與技術創新計劃、國家自然科學基金、江蘇省卓越博士后計劃、山東省自然科學基金等項目的資助。
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