量子力學作為現代物理學的重要分支學科，主要探究微小粒子的運動規則，利用量子疊加態直觀的展示出微觀的原子和分子世界，使人們從不同角度認識同一物理體系中同時呈現出的兩種完全不同的粒子狀態。
圖 | 量子力學（來源：Pixabay）
量子計算機能夠利用量子力學中的物理特性進行傳統計算機幾乎無法進行的計算，這一理論應用近些年引起業內人士的廣泛關注，能夠極大程度地提升電子產品地生產效率。
提升量子系統的精密調控是量子計算機發展的重點。據悉，量子計算有兩個基礎的操作，即，單量子和雙量子比特門操作。量子計算機運用 0 和 1 量子疊加中的量子比特進行運算。為在量子計算機中達到高性能、疊加態量子計算目標，需要進行快速與精確的量子比特門操作。
在規模較大的電路中，超導電路法能夠更高效地完成量子的疊加狀態。而且，更容易實現量子比特間的強耦合，從而，更加高速與高效地進行雙量子比特門操作。
在執行超導電路法的過程中，量子位之間的耦合需要用耦合器完成。因此，在高級別超導量子計算機方面，目前耦合器是關乎其性能的重要零部件。
今年 7 月，東芝（Toshiba）在一篇論文中表示，可以通過電磁波照射耦合器消除殘留耦合。但是，此種方法沒能實現快速和高精度實現雙量子比特門的目的。
近期，東芝研究人員在量子計算機框架與零部件優化方面獲得新突破，研發出了能夠高速操作雙量子比特門的可調諧耦合器，即雙跨頻耦合器，有望大幅度提升量子計算的速度與準確性。
（來源：Physical Review Applied）
相關論文於 9 月 15 日以《雙跨頻耦合器：完全關閉耦合併高速操作雙量子比特門的可調諧耦合器》（Double-Transmon Coupler：Fast Two-Qubit Gate with No Residual Coupling for Highly Detuned Superconducting Qubits）為題發表在Physical Review Applied 上。
圖 | 超導量子計算機原理圖（來源：東芝）
根據超導量子計算機原理圖顯示，可調諧耦合器將兩個量子位相連，通過操作量子位之間的耦合進行準確的量子運算。
目前，應用於量子計算機中的最新技術能夠閉合跨頻量子位與接近頻率的耦合。但是，當其它量子位被電磁波照射時，易產生波段之間串擾，從而導致錯誤的運算結果。
除此之外，目前技術的另一個缺陷是還不能夠使量子位處於完全的閉合狀態，導致顯著不同頻率的產生，產生殘差耦合，從而導致誤差。
而東芝製造的最新雙跨頻耦合器可以在固定頻率的跨頻量子位上應用，具有更高的穩定性，並且易於設計。
論文中提到，雙跨頻耦合器成功實現了頻率顯著不同的固定頻率量子位之間的耦合，可以完全開關並高速、精確的控制雙量子比特門。
圖 | 超導量子位可調諧耦合器雙跨頻耦合器電路圖（來源：東芝）
雙跨頻耦合器包括兩個定頻跨頻量子位，如圖中的跨頻 3 和 4 所示，以及另外兩個用於計算的定頻跨頻量子位，如圖中的跨頻 1 和跨頻 2。
圖 | 雙跨聯耦合器耦合強度的磁通關係（來源：東芝）
論文中還提到，雙跨子耦合器有一個環，環上的三個 x 表示兩個跨子超導隧道結和一個額外的超導隧道結。環路之中的磁通 Φex 能夠通過外加磁場進行調諧，使兩側量子位之間的耦合強度精準度完全達到零，從而使環路中的耦合完全被阻斷。
另外，通過增加磁通，耦合強度也可以提高到幾十兆赫，從而實現快速操作雙量子位門的目的。
結果表明，雙跨聯耦合器的操作精度可達 99.99%，運行時間縮短至 24 納秒。因此，雙跨聯耦合器有望為研製更高性能的量子計算機做出重大貢獻。
需要注意的是，實際操作過程中最好使用跨頻量子位門，因為頻率的顯著不同，能夠減少串擾誤差，及時糾正量子位頻率設計值偏差，使製造出的雙跨子耦合器穩定性高、結構簡單、易於製造，從而節約製造器件所需的時間，提升器件的製造產量。
未來，雙跨聯耦合器技術不僅有望推動高性能量子計算機進一步更新迭代，還能在實現「碳中和」與新葯研發等不同領域做出巨大貢獻。
據介紹東芝計劃今年開始製作雙跨頻耦合器的模板並進行演示。該公司的目標是將來能夠進一步發揮出雙跨聯耦合器的優勢，使量子計算機與其它相關電子產品的速度與準確性達到世界級最高水平。
參考資料：
1.https://arxiv.org/abs/2203.11451
2.https://www.global.toshiba/ww/technology/corporate/rdc/rd/topics/22/2209-01.html
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