抑制超导量子计算旁观比特泄露方面取得进展

近日，中国科大物理学院在可扩展超导量子计算研究中取得进展：郭国平教授、段鹏副研究员等针对大规模超导量子处理器中由频率拥挤引发的旁观比特泄露问题，提出了一种基于不变子空间工程（invariant subspace engineering）的动态哈密顿量调控方法，通过可调耦合器主动重构近共振条件下的系统动力学，实现对旁观比特泄露的有效抑制。相关成果以“Spectator Leakage Suppression via Invariant Subspace Engineering for CZ Gates in Superconducting Quantum Circuits”为题，于9月4日发表在国际物理学期刊Physical Review Letters上。

随着超导量子芯片规模不断增大，芯片上的量子比特、耦合器及相关能级日益密集，频率拥挤和频率碰撞逐渐成为限制量子处理器扩展的重要问题。在执行CZ（受控Z门）等两比特量子门时，参与门操作的量子比特可能与周围不直接参与操作的旁观比特（spectator qubit）进入近共振区域，从而产生非期望的相干交换，使量子态泄露到计算空间之外。传统方法通常通过精细规划量子比特频率，尽量避开这些近共振条件；然而，随着量子比特数量、连接度以及并行量子门数量持续增加，可用的频率空间越来越拥挤，单纯依赖频率规避的策略将面临越来越大的扩展困难。

针对这一问题，研究团队提出了基于不变子空间工程的泄露抑制方法。在旁观比特接近共振时，原本用于实现CZ门的二能级动力学会扩展为包含旁观态的三能级相互作用。研究人员通过动态调节旁观比特对应的可调耦合器，将相关量子态重新组织为“亮态”和“暗态”，并使暗态与门操作子空间解耦，从而将系统哈密顿量转化为块对角形式。这样，CZ门的演化被限制在由计算态和亮态构成的二维不变子空间内，实现对目标泄露通道的内禀抑制。

图1.不变子空间工程抑制旁观比特泄露的原理示意图。（a）三量子比特及可调耦合器结构；（b）近共振条件下的有效三能级模型；（c）哈密顿量块对角化及二维不变子空间。