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双十一上新，由中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室主任范桁领衔的研究团队开发了一款一维超导量子处理器，名为“庄子”(战国时期的哲学家)，让我们一探究竟。 在今天的论文[1]《在41量子比特超导处理器上观察拓扑零模式(Observing topological zero modes on a 41-qubit superconducting processor）》中，范桁团队展示了拥有43量子比特的“庄子”超导量子处理器。
这篇论文的重点在于用处理器模拟Aubry-Andre´-Harper (AAH)模型，以观察所谓的拓扑零模式，对该领域感兴趣的读者可以阅读论文，我们这里主要介绍这款超导量子处理器。如下图所示，“庄子”超导量子处理器拥有43个量子比特，且均排列在对角线上，也就是所谓的一维布局，对角线两侧包括控制线和谐振器等。中间像十字一样的器件就是超导量子比特，大家可以数一数是不是43个。
这项工作中使用的43量子比特“庄子”样品是在430微米厚的蓝宝石芯片上采用标准晶片清洗制成的。具体而言，首先在15×15平方毫米的蓝宝石衬底上沉积100纳米的铝层，并使用0.70微米的正性SPR955抗蚀剂通过光刻进行图案化。然后，使用湿蚀刻来制造大型结构，例如微波共面波导谐振器、传输线、控制线和transmon量子比特的电容器。最后为了抑制寄生模式，在芯片上构造了许多空气桥。此外，他们优化了XY/Z控制线的末端(靠近量子比特)，方法是将末端远离量子比特，然后接地，以减少由于微波信号和通量偏置而对其他量子比特的串扰。正常情况下，控制线直接在末端接地，但微波信号不会瞬间消失，继续沿着金属传播。如果量子比特之间的空间距离不够远，就很容易导致微波信号传播到相邻的量子比特，产生串扰。通过延长控制线的末端以确保它们的接地端口远离量子比特，泄漏的微波信号就可以远离量子比特，从而减少微波串扰。同时，对于直流偏置，延长的控制线可以产生与输入电流方向相反的电流，产生相互抵消的磁通量，并有效降低通量串扰。
串扰情况。每个圆点的大小指示其对应的起始量子比特到目标量子比特的Z串扰矩阵元素的绝对值。除Q42至Q43的串扰为3.13%外，其余所有串扰系数均小于2.26%然后，他们将超导量子芯片放置在一个带有混合室(MC)的BlueFors稀释制冷机中，温度约为20毫开尔文(-273.13摄氏度)。控制电子设备和低温设备的典型布线如下图所示。这里共有5条读出传输线，每条都配有超导约瑟夫森参量放大器(JPA)、低温低噪声放大器(LNA)和室温射频放大器(RFA)。这些传输线上的读出脉冲首先由两个数模转换器(DAC)通道和一个本振(LO)组成的微波任意波形发生器(AWG)产生，然后与芯片交互后在不同温度下由放大器放大，最后由模数转换器(ADC)调制。
实验系统和布线信息的示意图。这里，MC表示混合室，RFA表示室温射频放大器，LNA表示低噪声放大器，JPA表示约瑟夫森参数放大器
为了减少制冷机中低温控制线的数量，他们在室温下利用定向耦合器将高频微波激发信号和低频偏置信号结合起来，在低温下将量子比特的XY和Z控制线合二为一。他们在每个LO端口设置一个由实验触发信号控制的微波开关，以抑制来自连续微波信号的热激发。对每个AWG进行零点校准，以减少固有泄漏和镜像泄漏。他们的超导量子处理器采用一维布局，由排成一行的43个transmon量子比特(Q1-Q43)组成。普遍来说，相比二维布局，采用一维布局，在实验上的难度会大大降低。但这种拓扑结构需要需要大量开销来改组(shuffling)量子比特，因此容错阈值远低于二维[2]。提到超导量子处理器，我们最熟悉的应该是谷歌的“悬铃木”和中科大的“祖冲之”，他们采用的都是二维布局，悬铃木是6×9，祖冲之是6×11，如下图所示。
为什么中科院物理所的“庄子”采用一维布局呢？因为该处理器是专门被设计用于从复杂的能带结构中捕捉一维量子多体系统的实质性拓扑特征。论文提到，“使用由高度可控的Floquet工程辅助的超导量子处理器，我们的结果建立了一种通用的混合模拟方法来探索NISQ时代的量子拓扑多体系统。”
范桁，中科院物理所研究员，固态量子信息与计算实验室主任，Q03组长。2005年11月，进入中科院物理所，研究员/博士生导师。国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才；科技部重点领域创新团队负责人，团队名称：“固态量子计算与量子信息创新团队”；享受国务院政府特殊津贴；2021年获得周培源物理奖；国家自然科学基金委员会创新群体负责人；2021年获中国科学院大学领雁银奖；2022年获得中国科学院大学唐立新教学名师奖。曾在美国斯坦福大学，IBM研究中心，英国牛津大学，香港大学，香港中文大学，新加坡国立大学访问并展开合作研究。主要研究方向包括：量子计算和量子模拟理论与实验研究。最近集中于：（i）超导量子计算理论与实验；（ii）与金刚石NV中心实验合作；（iii）量子现象模拟、量子虚拟机。[1]https:///abs/2211.05341[2]https://www./articles/s41534-018-0074-2
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