达摩院重大“遗产”！fluxonium量子比特初始化300纳秒且保真度超过99%

通用量子计算机开发的主要挑战之一是制备量子比特。十多年来，研究人员在构建量子计算机的过程中主要使用了transmon量子比特，这也是迄今为止商业上最成功的超导量子比特。

但与业界多数选择transmon量子比特不同，（前）阿里巴巴达摩院量子实验室选择了fluxonium新型量子比特作为未来量子计算探索的方向。作为一种相对较新的超导量子比特，fluxoniu量子比特在理论上可获得高操控精度的优势，但在实际芯片制备中也更为复杂。

曾经，前达摩院量子实验室负责人施尧耘表示：“打造可扩展的高精度量子比特平台，是当前我们实现量子计算机的核心策略。fluxonium不再是学术界演示原理的粗糙玩具，而已然成为可与主流平台争锋的工业级利器。”达摩院量子实验室的目标之一就是深耕“以fluxonium为平台的可规模化高精度”，以差异化的创新路径，探索容错量子计算的核心技术。

为达到这个目标，达摩院量子实验室一直在行动。尽管阿里达摩院实验室于2023年11月宣布关闭，但其实验室团队的成果依旧值得关注。2024年开年以来，全球物理学顶刊Physical Review Letters上发表了达摩院量子实验室团队两篇针对Fluxonium量子比特研究的论文，论文分别展示了一种实现Fluxonium量子比特之间多样化相互作用的关键技术即感应耦合方案与一种高效的Fluxonium量子比特初始化方案。这些研究使得Fluxonium量子比特跨出了从理论到实践的重要一步。

目前针对fluxonium的研究

根据不同的自由度，超导量子比特主要分为三类：电荷量子比特、通量量子比特、相位量子比特。其中，transmon由于简单性和“腔量子电动力学”（cavity quantum electrodynamic，cQED）架构的灵活性，是目前最流行的超导量子比特。fluxoniu量子比特有两个不同于Transmon的特点：它们的能级更不均匀（即“非谐波”），而且它们使用一个大电感器来取代transmon中使用的电容器。至少从理论上讲，这两点都使通子具有更强的抗错能力，从而实现更好的“一致性”（即在更长的时间内保持量子信息），以及在实现基本操作时具有“更高的保真度”（即准确性）。

虽然过去的一些研究已经探索了基于flux量子比特的量子处理器的潜力，但其中大多数主要是提供概念验证。然而，要在真正的量子计算机中实现这些“人造原子”，并与transmon竞争，flux量子比特需要在单个设备中的各种操作中展示出高性能——这正是阿里量子实验室工作的关键目标。

2022年3月，阿里巴巴达摩院量子实验室成功设计制造出两比fluxoniu量子芯片，实现了单比特操控精度99.97%，两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%，在此类比特达全球最佳水平，是fluxonium优势从理论到实践的重要一步。

2022年6月28日，阿里巴巴达摩院开拓新型量子比特平台的研究在全球物理学顶刊《Physical Review Letters》最新第129期上发表，并被选为“编辑推荐”。施尧耘表示：“这项工作是我们推进量子计算研究的关键一步。在我们启动研究计划时，我们就决定探索将fluxonium作为未来量子计算机的构件，而不是选择主流的transmon量子比特。我们相信，这种相对较新的超导量子比特可以走得更远。”

PRL期刊评议认为，达摩院成果在新型比特fluxonium的单一系统中实现了与主流transmon量子比特可相匹敌的高精度，可视为该领域一里程碑。

2022年7月，阿里巴巴集团达摩研究院下属的阿里巴巴量子实验室的研究人员开发了一种使用磁通量子比特的量子处理器，他们的论文发表在Physical Review Letters上，展示了磁通量对于开发高性能超导电路的潜力。在测试结果中，由阿里量子实验室的量子平台平均单量子比特门保真度达到99.97%，双量子比特门保真度高达99.72%。这些值是当时可比的超导量子处理器中最好的结果。除了单量子比特和双量子比特门之外，该团队还以一种稳健的方式整合了量子计算机复位和读出所需的其他基本操作。

2024年5月10日，Z-Axis Quantum在arXiv上刊登论文：Achieving millisecond coherence Fluxonium through overlap Josephson junctions，团队使用一种适用于大规模超导量子芯片的制备工艺，制造出截止到目前止相干性能最好的基于可扩展平面结构的超导量子比特。Fluxonium比特因为其理论上的优势被很多业内人士所看好，然而该类型比特的单个比特的制造复杂度远高于Transmon，具体表现为一个Fluxonium比特由100多个超导隧穿节组成，而一个Transmon比特只需要1-2个节。该工作解决了规模化制备Fluxonium集成芯片技术上的困难，未来我们有望看到基于Fluxonium的高质量大规模超导量子芯片。

除了阿里达摩院外，其他国家对于fluxonium量子比特的研究同样优秀。2023年7月，马里兰大学的研究人员终于实现了向前迈出的重要一步，他们制造出的Fluxonium量子比特的寿命是以前的10倍。相干时间达到了1.43毫秒，这可能看起来像一个超级短暂的时间，但它比之前的记录升级了10倍。

研究人员相信，在相干性和稳定性方面，Fluxonium量子比特可以走得更远。当科学家们希望使用各种指标来扩大他们的量子计算系统时，这将是非常重要的。其改进的关键是对工作频率和电路参数的调整，这延长了量子比特的弛豫时间：它在可能的状态之间传递的时间，在此期间可以记录数据。

2023年10月，麻省理工学院的新型Fluxonium量子比特电路，双量子比特门的准确率超过99.9%，单量子比特门的准确率达到99.99%。此外，研究人员利用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这一架构。这项工作开创了耦合两个Fluxonium量子比特的新架构。所实现的门保真度不仅是有记录以来最好的，而且与目前占主导地位的量子比特Transmon的门保真度相当。更重要的是，该架构还提供了参数选择的高度灵活性，这对于升级为多量子比特通子处理器至关重要。

来源：AQT-LBNL（劳伦斯伯克利国家实验室的量子技术公司）提供的SEM图像展示了使用无桥制造技术构建的Fluxonium量子比特

实现具有突破性的20纳秒受控Z门
门平均保真度达到99.53%

2月8日，Physical Review Letters上发表达摩院量子实验室团队题为“Native Approach to Controlled-Gates in Inductively Coupled Fluxonium Qubits”的论文，团队提出并展示了一种感应耦合方案，为Fluxonium提供了丰富的本地量子比特间的相互作用选择。团队还展示了一个20纳秒的受控Z门，平均保真度为99.53%。这个高保真度的结果不仅证实了该方案的有效性，还揭示了一个有前景但很少探索的参数空间，该空间特别适合于Fluxonium量子比特之间的门操作。

在量子计算领域，Fluxonium量子比特因其出色的相干特性和对电荷波动的高保护能力而备受关注，被认为是有希望实现门基量子信息处理的有希望的平台。这种量子比特的设计能够显著减少由电荷噪声引起的退相干，这对于提高量子计算操作的稳定性和可靠性至关重要。然而，Fluxonium量子比特的这种高保护特性也带来了一些挑战。特别是在电容耦合的情况下，量子比特之间的相互作用主要被限制为XX相互作用，这限制了它们在执行更复杂量子算法时的能力，因为更多样化的量子门操作，如受控Z（CZ）或受控非（CNOT）门，需要ZZ或XZ相互作用来实现。

为了克服这一限制，文章提出了一种创新的感应耦合方案。这种方案通过利用Fluxonium量子比特的本征特性，使得它们能够实现更广泛的量子比特-量子比特相互作用。感应耦合是一种通过磁场变化来实现量子比特之间相互作用的方法，它为精确控制量子比特间的相互作用提供了新的途径。通过调整外部磁场，研究者们能够在量子比特间产生所需的ZZ或XZ相互作用。这种方法不仅能够提高量子门操作的多样性，还能够在不牺牲Fluxonium量子比特高相干特性的前提下，实现更复杂的量子算法和量子错误校正协议。因此，感应耦合方案为Fluxonium量子比特的实际应用和量子计算机的发展开辟了新的可能性。

感应耦合的Fluxonium对

ZZ相互作用允许实现的条件相位门

其中，ZZ相互作用是感应耦合方案的一个关键应用。ZZ相互作用在量子计算中扮演着至关重要的角色，特别是在实现多量子比特纠缠和量子门操作方面。在本文中，研究者们采用了一种独特的方法来激活和利用ZZ相互作用，这种方法完全依赖于Fluxonium量子比特的特性以及外部通量的精确控制。

Fluxonium量子比特的设计允许通过外部磁场的调整来改变其能量态，进而控制ZZ相互作用。当两个Fluxonium量子比特都被偏置（即偏离）它们各自的通量简并位置时，ZZ相互作用得以激活。这种偏置操作使得量子比特间的相互作用从横向（XX）转变为纵向（ZZ），从而允许执行更为复杂的量子纠缠操作。

这种受通量控制的ZZ相互作用的内置特性，为实现精确的两量子比特门操作提供了一种自然的机制。通过精心设计的外部通量脉冲序列，研究者们能够在量子比特之间引入条件相位，这是构建CNOT或受控-Z等两量子比特门的关键步骤。

此外，通过控制ZZ相互作用的强度和持续时间，可以实现不同速度和类型的量子门操作，这对于设计量子算法和量子错误校正协议具有重要意义。在实验中，研究者们展示了通过调整外部通量来精确控制ZZ相互作用，从而实现了高保真度的量子门操作。

利用动态解耦来对抗由通量噪声引起的退相干

为了进一步提高量子操作的保真度，文章中采还用了动态解耦方案的连续版本来减少两量子比特操作中引入的额外退相干。动态解耦是一种成熟的技术，它通过在量子系统的演化过程中引入特定的控制序列，以平均掉环境中的噪声，从而延长量子态的相干时间。在这项工作中，动态解耦被用来对抗由于通量噪声引起的退相干，这对于提高量子门操作的稳定性和可靠性至关重要。

量子门的性能在30小时的时间内使用标准的随机基准(RB)技术进行监控。误差条对应于拟合的不确定性。

感应耦合方案、ZZ相互作用的利用以及动态解耦方案的应用，共同构成了一种全新的高保真量子门操作方法。具体来说，结合上述技术，研究者们成功实现了一个具有突破性的20纳秒受控-Z门，其平均保真度高达99.53%。这一结果不仅验证了所提出门方案的高度有效性，而且还探索了一个对于Fluxonium量子比特间的门操作来说非常有前景但之前很少被触及的参数空间。这种高保真度的量子门操作是实现复杂量子计算任务的关键，因为它可以减少错误并提高整体量子系统的性能。

关于未来，文章提出了几个关键点，为量子计算领域的进一步发展指明了方向。首先，基于感应耦合的可调谐耦合器被认为是实现更大规模量子操作的重要前提。这种耦合器能够提供更为灵活和可控的量子比特相互作用，从而使得复杂的量子算法和量子纠错协议能够在更大的量子处理器上得以实现。

其次，文章指出，之前未被充分利用的本征XZ相互作用可能在实现可扩展的纠缠操作上发挥重要作用。这种相互作用的探索和利用可能会带来新的量子门设计和量子计算策略，进而推动量子计算机的可扩展性和性能。

高效Fluxonium初始化方案：
实现300纳秒内超过99%初始化保真度

6月3日，Physical Review Letters上发表达摩院量子实验室团队题为“Efficient Initialization of Fluxonium Qubits based on Auxiliary Energy Levels”的论文，团队研究人员展示了一种高效的Fluxonium量子比特初始化方案，利用边带冷却技术，通过调整Fluxonium的外部通量打破能量本征态的宇称对称性，实现了非计算量子比特跃迁与腔激发之间的相互作用。这种操作促进了单音调微波驱动下的直接边带跃迁，并通过对腔态的绝热转移进一步提高了控制，实现了300纳秒内超过99%初始化保真度。最后，研究人员证明了该方案对参数变化具有鲁棒性，能够去除泄漏，并适用于多个量子比特的同时操作。这项方案为大规模Fluxonium处理器中量子错误校正的演示提供了一种健壮且可扩展的初始化协议。

具体来说，初始化过程是量子计算中的一个关键步骤，它确保量子比特能够从一个已知状态开始执行算法。快速且高保真的量子比特初始化对于低频量子比特如Fluxonium至关重要，它对量子算法和量子错误校正码的应用有显著影响。在传统的电路量子电动力学系统中，量子比特的初始化通常通过微波驱动实现，这要求量子比特与一个短寿命腔体之间进行状态转移，这个过程也被称为边带冷却过程。然而，由于波函数的宇称对称性选择规则限制，旁带跃迁通常需要多光子过程或强驱动。

为了解决这个问题，研究者们提出了一种利用Fluxonium通量可调性的方法，通过引入通量偏置来打破对称性，从而实现单音边带驱动下的量子比特初始化。

通量-腔系统的能级图

文章中详细描述了初始化方案的实现过程。研究者们首先着眼于Fluxonium量子比特的非计算能级，这是量子比特能量谱中不直接参与计算过程的部分。他们的目标是实现量子比特与读出腔之间的有效耦合，这是通过调整外部磁场来实现的。通过精心设计的外部通量，研究者们能够在量子比特和腔体之间建立起强耦合，这种耦合是实现边带跃迁的关键。边带跃迁是一种量子态转移过程，它允许量子比特从一个能级跃迁到另一个能级。

(a) 绝热态转移的初始化控制序列；(b) 模拟结果与演化时间对比；(c) 初始化误差与驱动强度和持续时间的关系；(d) 在 Ωef = 71 MHz 和 T = 500 纳秒下，初始化保真度与驱动频率和通量偏移的关系。

在耦合建立之后，研究者们采用了一种巧妙的策略来进一步提高初始化的效率。他们利用了一个辅助能级，这个能级在初始化过程中充当暗态，即它不会在系统的演化过程中被激发。通过绝热地增加驱动强度，即缓慢地改变系统参数以保持系统的量子态，研究者们能够将量子比特的激发态转移到这个辅助能级上。随后，由于腔体的强耗散特性，辅助能级的粒子数迅速转移到了基态，也就是量子比特的初始状态。

通过随机基准测试表征 QA 和 QB 的单量子比特门保真度，在两个量子比特同时初始化之后进行。

实验结果显示，这种初始化方案不仅效率极高，而且在300纳秒的极短时间内就能完成，而且保真度超过了99%。这意味着量子比特能够非常精确地被初始化到期望的量子态，且该过程对控制参数的变化具有很好的鲁棒性。这一点对于量子计算尤为重要，因为在实际操作中，系统可能会受到各种噪声和不稳定性的影响。

此外，文章还探讨了该初始化方案在量子误差校正（QEC）中的应用潜力，尤其是在处理泄漏错误方面。泄漏错误通常随着门操作数量的增加而累积，且难以被QEC检测和恢复。因此，在量子比特初始化过程中消除非计算态激发是非常理想的。文章中的方案通过强共振相互作用，使得第二激发态的人口通过腔体耗散回到基态，从而有效地去除了泄漏。

为了验证该方案的可扩展性，研究者们展示了如何通过频率复用技术同时初始化多个量子比特。他们使用共享的微波发生器为多个量子比特提供边带驱动，并采用随机基准测试来评估单量子比特门的平均保真度，同时对另一个量子比特进行重复初始化操作。实验结果显示，即使在其他量子比特进行重复初始化的情况下，也不会干扰其他量子比特的状态初始化或单量子比特门操作。

总之，这篇文章提出的Fluxonium量子比特初始化方案具有高效、高保真度、鲁棒性好以及可扩展性强的特点。该方案不仅能够快速地将量子比特初始化到期望状态，还能够在初始化过程中去除量子比特的第二激发态密数，有助于减少量子错误校正中的泄漏错误。

此外，该方案的实施与现有的量子比特参数选择兼容，为大规模Fluxonium量子处理器的构建提供了重要的技术支持。随着量子计算技术的不断进步，这一方案有望在未来的量子计算机中发挥关键作用。