Unimon: 一种促进量子计算机应用的新量子比特

诸平

Artistic impression of a unimon qubit in a quantum processor. Credit: Aleksandr Kakinen

据芬兰阿尔托大学（Aalto University）2022年11月15日报道，来自芬兰阿尔托大学、IQM量子计算机公司（IQM Quantum Computers / IQM, Keilaranta 19, 02150, Espoo, Finland）和VTT技术研究中心(VTT Technical Research Center / VTT Technical Research Centre of Finland Ltd. & QTF Centre of Excellence, P.O. Box 1000, 02044 VTT, Espoo, Finland)的一组科学家,发现了一种新的超导量子比特(new superconducting qubit)——Unimon(The unimon, a new qubit to boost quantum computers for useful applications)，以提高量子计算的准确性。该团队已经实现了具有unimons第一个具有99.9%保真度的量子逻辑门，这是寻求建立商用量子计算机的重要里程碑。相关研究结果于2022年11月12日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Eric Hyyppä, Suman Kundu, Chun Fai Chan, András Gunyhó, Juho Hotari, David Janzso, Kristinn Juliusson, Olavi Kiuru, Janne Kotilahti, Alessandro Landra, Wei Liu, Fabian Marxer, Akseli Mäkinen, Jean-Luc Orgiazzi, Mario Palma, Mykhailo Savytskyi, Francesca Tosto, Jani Tuorila, Vasilii Vadimov, Tianyi Li, Caspar Ockeloen-Korppi, Johannes Heinsoo, Kuan Yen Tan, Juha Hassel, Mikko Möttönen. Unimon qubit. Nature Communications, Published: 12 November 2022, 13, Article number: 6895. DOI: 10.1038/s41467-022-34614-w. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34614-w

在所有构建有用量子计算机的不同方法中，超导量子比特（superconducting qubits）处于领先地位。然而，目前使用的量子位（qubit）设计和技术还不能为实际应用提供足够高的性能。在这个噪声中等尺度量子(noisy intermediate-scale quantum简称NISQ)时代，可实现的量子计算的复杂性主要受限于单量子位和双量子位量子门（single- and two-qubit quantum gates）的误差。量子计算需要变得更精确才能发挥作用。

阿尔托大学和VTT的量子技术联合教授、IQM量子计算机的联合创始人和首席科学家、也是这项研究的领导者米科·莫托南（Mikko Möttönen）说：“我们的目标是建立量子计算机，在解决现实世界的问题方面具有优势。我们今天的宣布是IQM的一个重要里程碑，是构建更好的超导量子计算机的一个重要成就。”

如今，阿尔托大学、IQM量子计算机公司和VTT技术研究中心已经引入了一种新的超导量子比特类型——unimon，它将增加的非谐性（anharmonicity）、对直流电荷噪声完全不敏感、降低对磁噪声的敏感性和仅由谐振腔中单个约瑟夫森结（single Josephson junction in a resonator）组成的简单结构统一在一个电路中。该团队在3个不同的unimon量子比特（unimon qubits）上实现了13纳秒长的单量子比特门的保真度从99.8%到99.9%。

在IQM量子计算机公司攻读博士学位的埃里克·海帕（Eric Hyyppä）说:“由于其非谐性或非线性比transmons更高，我们可以更快地操作unimons，导致每次操作的错误更少。”

为了在实验上演示unimon，科学家们设计并制造了芯片，每个芯片由3个unimon量子比特（unimon qubits）组成。除了约瑟夫森结（Josephson junctions）之外，他们还使用了铌（Nb）作为超导材料，而约瑟夫森结中的超导引线是用铝（Al）制成的。

该团队测量到，该单个unimon量子比特具有相对较高的非谐性，同时只需要一个没有任何超级电感（superinductors）的约瑟夫森结，并具有抗噪声保护。与传统的氟离子量子比特（fluxonium qubits）或夸脱量子比特（quarton qubits）中基于结阵列的超电感相比，unimon的几何电感具有更高的可预测性和产率的潜力。

米科·莫托南教授补充道：“Unimons是如此简单，却transmons有许多优点。事实上，第一个unimon的效果如此之好，为优化和重大突破提供了足够的空间。下一步，我们应该优化设计，以实现更高的噪声保护，并演示双量子比特门（two-qubit gates）。”

“我们的目标是进一步改进unimon的设计、材料和门时间（gate time），以打破99.99%的保真度目标，在噪声系统和有效的量子误差校正下获得有用的量子优势。这就是量子计算非常激动人心的一天，”米科·莫托南教授总结道。

本研究得到了欧洲研究理事会{ European Research Council under Consolidator Grant No. 681311 (QUESS) and Advanced Grant No. 101053801 (ConceptQ)}、欧盟委员会{ European Commission through H2020 program projects QMiCS (grant agreement 820505, Quantum Flagship)}、芬兰科学院{ Academy of Finland through its Centers of Excellence Program (project Nos. 312300, and 336810)}，以及芬兰国家商务促进局{ Business Finland through its Quantum Technologies Industrial grant No. 41419/31/2020}、研究影响基金会{ Research Impact Foundation for grant No. 173 (CONSTI)}、埃米尔·艾尔特南基金会（Emil Aaltonen Foundation grant No. 220056 K）、诺基亚基金会(Nokia Foundation grant No. 20230659)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Doubling up Cooper pairs to protect qubits in quantum computers from noise

Abstract

Superconducting qubits seem promising for useful quantum computers, but the currently wide-spread qubit designs and techniques do not yet provide high enough performance. Here, we introduce a superconducting-qubit type, the unimon, which combines the desired properties of increased anharmonicity, full insensitivity to dc charge noise, reduced sensitivity to flux noise, and a simple structure consisting only of a single Josephson junction in a resonator. In agreement with our quantum models, we measure the qubit frequency, ω₀₁/(2π), and increased anharmonicity α/(2π) at the optimal operation point, yielding, for example, 99.9% and 99.8% fidelity for 13 ns single-qubit gates on two qubits with (ω₀₁, α)=(4.49 GHz, 434 MHz)×2π and (3.55 GHz, 744 MHz)×2π, respectively. The energy relaxation seems to be dominated by dielectric losses. Thus, improvements of the design, materials, and gate time may promote the unimon to break the 99.99% fidelity target for efficient quantum error correction and possible useful quantum advantage with noisy systems.