【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校物理學(xué)院在可擴(kuò)展超導(dǎo)量子計(jì)算研究中取得進(jìn)展：郭國平教授、段鵬副研究員等針對(duì)大規(guī)模超導(dǎo)量子處理器中由頻率擁擠引發(fā)的旁觀比特泄露問題，提出了一種基于不變子空間工程(invariant subspace engineering)的動(dòng)態(tài)哈密頓量調(diào)控方法，通過可調(diào)耦合器主動(dòng)重構(gòu)近共振條件下的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁觀比特泄露的有效抑制。相關(guān)成果以“Spectator Leakage Suppression via Invariant Subspace Engineering for CZ Gates in Superconducting Quantum Circuits”為題，于9月4日發(fā)表在國際物理學(xué)期刊Physical Review Letters上。
 

　　隨著超導(dǎo)量子芯片規(guī)模不斷增大，芯片上的量子比特、耦合器及相關(guān)能級(jí)日益密集，頻率擁擠和頻率碰撞逐漸成為限制量子處理器擴(kuò)展的重要問題。在執(zhí)行CZ(受控Z門)等兩比特量子門時(shí)，參與門操作的量子比特可能與周圍不直接參與操作的旁觀比特(spectator qubit)進(jìn)入近共振區(qū)域，從而產(chǎn)生非期望的相干交換，使量子態(tài)泄露到計(jì)算空間之外。傳統(tǒng)方法通常通過精細(xì)規(guī)劃量子比特頻率，盡量避開這些近共振條件；然而，隨著量子比特?cái)?shù)量、連接度以及并行量子門數(shù)量持續(xù)增加，可用的頻率空間越來越擁擠，單純依賴頻率規(guī)避的策略將面臨越來越大的擴(kuò)展困難。
 

　　針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于不變子空間工程的泄露抑制方法。在旁觀比特接近共振時(shí)，原本用于實(shí)現(xiàn)CZ門的二能級(jí)動(dòng)力學(xué)會(huì)擴(kuò)展為包含旁觀態(tài)的三能級(jí)相互作用。研究人員通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)旁觀比特對(duì)應(yīng)的可調(diào)耦合器，將相關(guān)量子態(tài)重新組織為“亮態(tài)”和“暗態(tài)”，并使暗態(tài)與門操作子空間解耦，從而將系統(tǒng)哈密頓量轉(zhuǎn)化為塊對(duì)角形式。這樣，CZ門的演化被限制在由計(jì)算態(tài)和亮態(tài)構(gòu)成的二維不變子空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)泄露通道的內(nèi)稟抑制。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)在本源“悟空”超導(dǎo)量子處理器上對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在單個(gè)旁觀比特近共振條件下，動(dòng)態(tài)調(diào)控將單次CZ門的旁觀泄露率從1.215×10-3降低至4(3)×10-5，抑制約30倍。與此同時(shí)，CZ門誤差降低至與旁觀比特遠(yuǎn)失諧時(shí)的基準(zhǔn)門性能相當(dāng)。進(jìn)一步的誤差分析表明，觀測(cè)到的門誤差降低與泄露及其伴隨相干誤差的抑制相符，說明該方法能夠有針對(duì)性地消除旁觀泄露誤差，而不會(huì)引入明顯的額外誤差通道。
 

　　為驗(yàn)證該方法的可擴(kuò)展性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了多個(gè)旁觀比特同時(shí)進(jìn)入近共振區(qū)域的情況。實(shí)驗(yàn)表明，不同旁觀比特產(chǎn)生的泄露在所研究的參數(shù)范圍內(nèi)近似獨(dú)立，可以通過分別調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的可調(diào)耦合器進(jìn)行同步抑制。研究團(tuán)隊(duì)還在多個(gè)不同5比特區(qū)域和多種旁觀比特配置下進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)測(cè)試，均獲得穩(wěn)定、可重復(fù)的泄露抑制效果，驗(yàn)證了該方案在不同器件參數(shù)和多旁觀比特場(chǎng)景下的可擴(kuò)展性。
 

　　該研究從主動(dòng)調(diào)控量子動(dòng)力學(xué)的角度，為大規(guī)模超導(dǎo)量子處理器中的頻率碰撞問題提供了新的解決思路。通過不變子空間工程，可以在不必完全避開近共振條件的情況下抑制相關(guān)泄露，為緩解大規(guī)模、高連接度量子處理器中的頻率擁擠約束以及實(shí)現(xiàn)高保真量子門提供新的技術(shù)路徑。該思想還可推廣至更復(fù)雜的多能級(jí)量子系統(tǒng)。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生王鵬為論文第一作者，段鵬副研究員和郭國平教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。該工作的開展得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。
 

　　引用：中國科大在抑制超導(dǎo)量子計(jì)算旁觀比特泄露方面取得進(jìn)展 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年9月8日】