量子力学作为现代物理学的重要分支学科，主要探究微小粒子的运动规则，利用量子叠加态直观的展示出微观的原子和分子世界，使人们从不同角度认识同一物理体系中同时呈现出的两种完全不同的粒子状态。
图 | 量子力学（来源：Pixabay）
量子计算机能够利用量子力学中的物理特性进行传统计算机几乎无法进行的计算，这一理论应用近些年引起业内人士的广泛关注，能够极大程度地提升电子产品地生产效率。
提升量子系统的精密调控是量子计算机发展的重点。据悉，量子计算有两个基础的操作，即，单量子和双量子比特门操作。量子计算机运用 0 和 1 量子叠加中的量子比特进行运算。为在量子计算机中达到高性能、叠加态量子计算目标，需要进行快速与精确的量子比特门操作。
在规模较大的电路中，超导电路法能够更高效地完成量子的叠加状态。而且，更容易实现量子比特间的强耦合，从而，更加高速与高效地进行双量子比特门操作。
在执行超导电路法的过程中，量子位之间的耦合需要用耦合器完成。因此，在高级别超导量子计算机方面，目前耦合器是关乎其性能的重要零部件。
今年 7 月，东芝（Toshiba）在一篇论文中表示，可以通过电磁波照射耦合器消除残留耦合。但是，此种方法没能实现快速和高精度实现双量子比特门的目的。
近期，东芝研究人员在量子计算机框架与零部件优化方面获得新突破，研发出了能够高速操作双量子比特门的可调谐耦合器，即双跨频耦合器，有望大幅度提升量子计算的速度与准确性。
（来源：Physical Review Applied）
相关论文于 9 月 15 日以《双跨频耦合器：完全关闭耦合并高速操作双量子比特门的可调谐耦合器》（Double-Transmon Coupler：Fast Two-Qubit Gate with No Residual Coupling for Highly Detuned Superconducting Qubits）为题发表在Physical Review Applied 上。
图 | 超导量子计算机原理图（来源：东芝）
根据超导量子计算机原理图显示，可调谐耦合器将两个量子位相连，通过操作量子位之间的耦合进行准确的量子运算。
目前，应用于量子计算机中的最新技术能够闭合跨频量子位与接近频率的耦合。但是，当其它量子位被电磁波照射时，易产生波段之间串扰，从而导致错误的运算结果。
除此之外，目前技术的另一个缺陷是还不能够使量子位处于完全的闭合状态，导致显著不同频率的产生，产生残差耦合，从而导致误差。
而东芝制造的最新双跨频耦合器可以在固定频率的跨频量子位上应用，具有更高的稳定性，并且易于设计。
论文中提到，双跨频耦合器成功实现了频率显著不同的固定频率量子位之间的耦合，可以完全开关并高速、精确的控制双量子比特门。
图 | 超导量子位可调谐耦合器双跨频耦合器电路图（来源：东芝）
双跨频耦合器包括两个定频跨频量子位，如图中的跨频 3 和 4 所示，以及另外两个用于计算的定频跨频量子位，如图中的跨频 1 和跨频 2。
图 | 双跨联耦合器耦合强度的磁通关系（来源：东芝）
论文中还提到，双跨子耦合器有一个环，环上的三个 x 表示两个跨子超导隧道结和一个额外的超导隧道结。环路之中的磁通 Φex 能够通过外加磁场进行调谐，使两侧量子位之间的耦合强度精准度完全达到零，从而使环路中的耦合完全被阻断。
另外，通过增加磁通，耦合强度也可以提高到几十兆赫，从而实现快速操作双量子位门的目的。
结果表明，双跨联耦合器的操作精度可达 99.99%，运行时间缩短至 24 纳秒。因此，双跨联耦合器有望为研制更高性能的量子计算机做出重大贡献。
需要注意的是，实际操作过程中最好使用跨频量子位门，因为频率的显著不同，能够减少串扰误差，及时纠正量子位频率设计值偏差，使制造出的双跨子耦合器稳定性高、结构简单、易于制造，从而节约制造器件所需的时间，提升器件的制造产量。
未来，双跨联耦合器技术不仅有望推动高性能量子计算机进一步更新迭代，还能在实现“碳中和”与新药研发等不同领域做出巨大贡献。
据介绍东芝计划今年开始制作双跨频耦合器的模板并进行演示。该公司的目标是将来能够进一步发挥出双跨联耦合器的优势，使量子计算机与其它相关电子产品的速度与准确性达到世界级最高水平。
参考资料：
1.https://arxiv.org/abs/2203.11451
2.https://www.global.toshiba/ww/technology/corporate/rdc/rd/topics/22/2209-01.html
