近日，在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院超导量子计算实验室钟有鹏课题组，在基于表面码的量子纠错领域取得重要实验进展。研究团队成功利用多比特量子芯片上的可调耦合器，实现了对量子比特及其耦合器上泄露的同时抑制，展示了该方案与量子纠错的兼容性及其抑制纠错线路中的关联错误方面的性能。相关成果以“Coupler-Assisted Leakage Reduction for Scalable Quantum Error Correction with Superconducting Qubits”为题于2024年10月24日在国际学术期刊Physical Review Letters上在线发表。

图1：多比特超导量子芯片上的量子纠错线路及态泄露途径

量子纠错通过使用多个物理量子比特来编码一个逻辑量子比特以实现更低的错误率。这通常通过量子纠错码来实现，如著名的Shor码、Steane码、表面码等。量子纠错技术的发展，使得研究人员有望在当前物理错误率较高的量子芯片上，实现对逻辑保真度要求极高的实用量子算法。然而，实现有效的量子纠错需要大量的物理量子比特和复杂的量子逻辑操作，这是当前量子计算领域面临的一个主要挑战。此外，可扩展量子纠错要求计算过程中产生的错误是非关联的。但目前许多用于实现量子计算的物理系统天然具有多个能级，并且需要借助非计算空间中的高能级实现特定的量子操作，量子比特的能量泄漏到这些非计算空间中的能级时所引起的时间关联错误将严重影响量子纠错的扩展性。

图2：可调耦合器间泄露的传播及抑制

超导量子计算芯片上的可调耦合器，作为调节量子比特间耦合强度、实现量子比特间纠缠的重要器件，同样存在泄露问题。在该工作中，研究人员发现，可调耦合器上的泄露能够向邻近的耦合器传播，引发具有空间关联性的错误。

为了解决这一问题，研究人员提出了一种可调耦合器辅助的泄露抑制方案。该方案利用可调耦合器的强频率可调性，以及与芯片上品质因子较低的读取腔存在的杂散耦合，首先将耦合器频率调制到量子比特频率附近，再通过参数驱动信号将泄露能量转移到耦合器上，最后调制耦合器频率到读取腔频率构成的耗散区域，使这部分能量快速耗散到环境中。

图3：可调耦合器辅助的泄露抑制方案对量子比特上泄露的抑制效果及其对计算空间的影响

研究团队在超导量子比特非计算空间中的f态和h态上应用了这一方案，展示其对泄露能级的高效抑制能力。通过随机基准测试，研究人员标定了该方案对计算空间的影响，结果表明，当量子比特处于计算空间时，该方案对量子态的影响与单比特操作相近。此外，研究人员将这一方案作为操作单元加入到权重为2的Z稳定子线路中，测试了其与纠错线路的兼容性。实验结果不仅展现了方案与纠错线路的兼容性，还表明该方案的加入能够将纠错线路中原本存在的泄露问题抑制到可忽略的水平。通过在线路中的特定周期主动向量子比特注入泄露，研究人员进一步测试了可调耦合器辅助的泄露抑制方案对于量子纠错中时间关联错误的抑制效果。与未引入该方案的纠错线路相比，主动注入的泄露所引发的时间关联错误在两个周期内就降低到了未注入泄露前的水准，同时线路中原本存在的泄露问题所导致的时间关联错误也得到了有效的抑制。该方案的性能证明了它有潜力成为超导量子比特可扩展纠错的重要构建块。

图4：加入泄露抑制单元的Z稳定子纠错线路以及实验结果

在该研究成果中，量子院博士研究生杨枭涵与深圳国际量子研究院助理研究员储继为论文共同第一作者。储继、钟有鹏为共同通讯作者，俞大鹏院士为最后作者。深圳量子科学与工程研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创局、国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.170601