近日，北京量子院超导量子计算团队详细分析了串扰误差及其对并行量子门操作的影响，为扩展超导量子处理器提供了启发和有意义的指导。2022年4月1日，相关工作以《Quantum Crosstalk Analysis for Simultaneous Gate Operations on Superconducting Qubits》为题发表在PRX Quantum上。

在超导量子比特系统中，实现大规模实用量子计算的核心挑战在于不断集成更多量子比特的同时保持或进一步提升量子门操控的保真度。当前，对于超导量子处理器来说，尽管孤立的量子门已经可以高保真度的实现，但并行执行多个量子门可能会显现出更差的性能。这种性能的恶化可归咎于量子比特间的串扰，如经典的电磁串扰或量子比特间残余寄生耦合带来的量子串扰。了解这些串扰的确切来源及其影响量子门的机理对于找出对应的串扰缓解方案或设计具有低串扰的量子比特架构至关重要。

图1 （a） 两定频比特通过一个可调bus耦合，通过控制bus的频率，可以实现对两比特间的ZZ耦合开关。（b） 超导量子比特的线路结构示意图。

为了实现高保真度并行量子比特门，应在可扩展量子比特阵列的基础上研究发展各类型的量子比特架构。对此，我院超导量子计算团队提出了一种基于定频Transmon量子比特的物理架构。在该架构中，定频比特通过可调bus耦合在一起。通过调节bus的频率，可控制比特间的耦合，从而实现两量子比特门操控或压制执行单比特门时比特间残余耦合的影响。在该架构中，研究人员进一步详细分析了量子串扰误差的具体类别及其对并行量子门操作的影响，主要包括单量子比特X门和两量子比特CZ门。

研究发现，对于微波驱动实现的单量子门，当量子比特工作在频率碰撞区域附近时，比特耦合带来的量子态缀饰会诱导交叉驱动误差。而在执行两量子门时，尽管近邻相互作用在名义上是关闭的，涉及到旁观量子比特的寄生次近邻相互作用仍然可能存在。当量子系统工作在该寄生耦合共振区间时，这些寄生近邻相互作用会造成相当大的泄漏错误或控制误差，从而影响并行执行量子门的性能。由此，为了实现高保真的并行量子门操控，需要构思如何来平衡来自目标量子比特系统本身的门控误差和来自旁观者量子比特诱导的误差。

图2  理论计算的并行执行量子门的错误率。（左图） 并行执行单量子比特CZ门。（右图）并行执行两量子比特X门。

文章第一作者为我院助理研究员赵鹏，通讯作者为助理研究员赵鹏和令狐克寰及副研究员薛光明，文章的合作者还包括超导量子计算团队博士后李志远、助理研究员王睿侠及研究员金贻荣、于海峰和南京邮电大学许鹏。该工作受到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划及广东省重点领域研发计划项目、江苏省自然科学基金等的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.020301

（超导量子计算团队 供稿）