超导量子计算是目前最有可能实现实用量子计算机的候选方案之一，在当前的超导量子处理器架构中，由超导量子比特高能级之间的耦合引起的寄生ZZ耦合是限制量子门操作和量子纠错性能的一个主要因素，近日，于扬课题组提出了一种可以实现高对比度ZZ耦合的全新超导量子处理器架构，基于此处理器架构，我们不仅可以用高开/关比来控制ZZ耦合，以实现高保真度两比特CZ门，而且也可以抑制ZZ耦合，实现高保真度两比特iSWAP门，此外，还可以抑制近邻比特间的ZZ串扰。因此，该方法对于实现容错的超导量子计算具有重要意义。
图1为于扬课题组提出的超导量子处理器架构，其中，具有相反非谐性的A类型量子比特和B类型量子比特交错排列，通过近邻耦合形成二维点阵结构。课题组选用非谐性为负的Transmon量子比特作为A类型量子比特，非谐性为正的C-shunt flux量子比特作为B类型量子比特，并通过电容耦合或谐振腔耦合来实现近邻耦合。相比于当前普遍使用的由单一种类超导量子比特构成的处理器架构，二者的能级结构具有显著的差别，如图2所示。其中图2（a）表示由两个非谐性为负的Transmon量子比特构成的耦合体系的能级结构，图2（b）表示由非谐性恰好相反的Transmon量子比特和C-shunt flux量子比特构成的耦合体系的能级结构，后者具有一个明显的三重简并点。量子比特可以通过电容器直接耦合图1（c），或者使用谐振器进行间接耦合图1（d）。
图1 新型超导量子处理器架构
图2 两比特耦合体系的能级结构
为证明提出的这类新型超导量子处理器架构的优势，课题组通过数值计算得到了ZZ耦合强度随近邻比特的失谐量及非谐性之差的变化，如图3所示，计算结果表明，该新型处理器架构确实能够实现高对比度和高开关比的ZZ耦合。此外，课题组通过计算进一步证明了，在该架构中，采用非绝热方案可以实现更快的CZ门操作和极低相位误差的iSWAP门操作，如图4所示，根据数值结果，我们可以基于此架构，实现泄露小于的iSWAP门和交换误差小于的CZ门，把目前国际上最好的两比特逻辑门保真度从2个9提高到3个9，可以大幅度地减少冗余比特的数量，对实现容错量子计算具有重要意义。
图3 ZZ耦合强度随失谐量及非谐性的变化
图4 CZ门和iSWAP门的数值计算结果
该成果于2020年11月12日在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上在线发表。该项课题的研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、江苏省自然科学青年基金及广东省重点领域研发计划支持。
