东方时讯网东芝公司的研究人员在量子计算机架构方面取得了突破：双传输耦合器的基本设计将提高可调谐耦合器中量子计算的速度和准确性。耦合器是决定超导量子计算机性能的关键设备。
超导量子计算机中的可调谐耦合器连接两个量子位，并通过打开和关闭它们之间的耦合来执行量子计算。目前的技术可以关闭频率相近的传输量子比特的耦合，但是当另一个量子比特被电磁波照射以进行控制时，这很容易在一个量子比特上发生串扰错误。此外，目前的技术无法完全关闭频率明显不同的量子比特的耦合，导致残余耦合导致误差。
东芝最近设计了一种双传输耦合器，可以完全打开和关闭具有显着不同频率的量子位之间的耦合。完全开启可以进行强耦合的高速量子计算，而完全关闭则消除了残余耦合，从而提高了量子计算的速度和精度。新技术的模拟表明，它实现了两个量子比特门，这是量子计算中的基本操作，准确率高达99.99%，处理时间仅为24ns。
东芝的双传输耦合器可应用于固定频率传输量子比特，实现高稳定性和易于设计。它是第一个实现可以完全打开和关闭的具有显着不同频率的固定频率传输量子比特之间的耦合，并提供高速、精确的双量子比特门。
该技术有望推动实现更高性能的量子计算机，这将有助于实现碳中和和新药开发等领域。该技术的详细信息发表在《应用物理评论》上。
双传输耦合器的电路图，一种用于超导量子比特的可调谐耦合器。信用：东芝公司
发展背景
量子力学使用量子叠加态描述原子和分子的不可见世界，使物理系统看起来同时处于两种完全不同的状态。量子计算机利用这一神秘特性来执行传统计算机几乎不可能进行的计算，这一能力近年来备受关注。
量子计算机使用量子叠加态0和1的量子比特来执行计算。任何量子计算都通过两个基本操作执行，单量子位门和双量子位门。为了实现高性能量子计算机，我们需要快速准确的门运算。
量子计算机的发展正在全球范围内得到促进，这已经看到了多种方法的采用，从操纵单个原子或离子到使用半导体和超导电路等各种提议。超导电路方法现在被认为在实现大型电路中的量子叠加状态方面具有优势，并且在实现高速执行双量子位门所必需的量子位强耦合方面相对容易。
量子比特的耦合是通过耦合器完成的。直到最近，主要设备一直是具有恒定耦合强度的固定耦合器，但现在注意力转向可调谐耦合器，它被视为提供提高性能所需的可调节耦合强度。
可调谐耦合器实现了矛盾的要求：具有强耦合的快速双量子比特门，以及通过关闭耦合来减少残余耦合误差的能力。此外，计算中使用的量子比特最好是固定频率的传输量子比特，其稳定性高，结构简单，易于制造。
此外，耦合的两个量子比特的频率应该显着不同，因为这样可以减少串扰误差，并且对于偏离量子比特频率的设计值具有鲁棒性，从而提高器件制造的良率。然而，这里的问题是，对于两个具有显着不同频率的固定频率传输量子比特，还没有可调谐耦合器能够将完整的非耦合和快速的双量子比特门操作结合起来。
新技术的特点
东芝研究人员设计了一种双传输耦合器，这是世界上第一个可以完全关闭耦合并高速操作两个量子比特门的可调谐耦合器，用于两个频率明显不同的固定频率传输量子比特。
双transmon耦合器包括两个固定频率的transmon量子位，以及用于计算的另外两个固定频率的transmonqubit。双transmon耦合器有一个环，环上的三个x代表两个transmonJosephson结和一个附加的Josephson结。环路中的磁通量Φex可以通过外部磁场进行调整，使两侧量子位之间的耦合强度完全为零，从而完全关闭耦合。
通过增加磁通量也可以将耦合强度提高到几十兆赫，从而实现快速的双量子比特门操作。仿真表明，门操作的精度可以达到99.99%，门时间短至24ns。因此，耦合器有望为更高性能的量子计算机做出贡献。