在本日的论文[1]《在41量子比特超导处理器上不雅观察拓扑零模式(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途理器仿照Aubry-Andre´-Harper (AAH)模型，以不雅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，我们这里紧张先容这款超导量子处理器。
43量子比特处理器
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，也便是所谓的一维布局，对角线两侧包括掌握线和谐振器等。中间像十字一样的器件便是超导量子比特，大家可以数一数是不是43个。
这项事情中利用的43量子比特“庄子”样品是在430微米厚的蓝宝石芯片上采取标准晶片洗濯制成的。详细而言，首先在15×15平方毫米的蓝宝石衬底上沉积100纳米的铝层，并利用0.70微米的正性SPR955抗蚀剂通过光刻进行图案化。然后，利用湿蚀刻来制造大型构造，例如微波共面波导谐振器、传输线、掌握线和transmon量子比特的电容器。末了为了抑制寄生模式，在芯片上布局了许多空气桥。
此外，他们优化了XY/Z掌握线的末端(靠近量子比特)，方法是将末端阔别量子比特，然后接地，以减少由于微波旗子暗记和通量偏置而对其他量子比特的串扰。正常情形下，掌握线直接在末端接地，但微波旗子暗记不会瞬间消逝，连续沿着金属传播。如果量子比特之间的空间间隔不足远，就很随意马虎导致微波旗子暗记传播到相邻的量子比特，产生串扰。通过延长掌握线的末端以确保它们的接地端口阔别量子比特，泄露的微波旗子暗记就可以阔别量子比特，从而减少微波串扰。同时，对付直流偏置，延长的掌握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，并有效降落通量串扰。
串扰情形。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，别的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稠浊室(MC)的BlueFors稀释制冷机中，温度约为20毫开尔文(-273.13摄氏度)。掌握电子设备和低温设备的范例布线如下图所示。
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，末了由模数转换器(ADC)调制。
实验系统和布线信息的示意图。这里，MC表示稠浊室，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掌握线的数量，他们在室温下利用定向耦合器将高频微波引发旗子暗记和低频偏置旗子暗记结合起来，在低温下将量子比特的XY和Z掌握线合二为一。他们在每个LO端口设置一个由实验触发旗子暗记掌握的微波开关，以抑制来矜持续微波旗子暗记的热引发。对每个AWG进行零点校准，以减少固有泄露和镜像泄露。
他们的超导量子处理器采取一维布局，由排成一行的43个transmon量子比特(Q1-Q43)组成。普遍来说，比较二维布局，采取一维布局，在实验上的难度会大大降落。但这种拓扑构造须要须要大量开销来改组(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，我们最熟习的该当是谷歌的“悬铃木”和中科大的“祖冲之”，他们采取的都是二维布局，悬铃木是6×9，祖冲之是6×11，如下图所示。
祖冲之号超导量子处理器采取二维布局
为什么中科院物理所的“庄子”采取一维布局呢？由于该处理器是专门被设计用于从繁芜的能带构造中捕捉一维量子多体系统的本色性拓扑特色。论文提到，“利用由高度可控的Floquet工程赞助的超导量子处理器，我们的结果建立了一种通用的稠浊仿照方法来探索NISQ时期的量子拓扑多体系统。”
关于范桁
范桁，中科院物理所研究员，固态量子信息与打算实验室主任，Q03组长。2005年11月，进入中科院物理所，研究员/博士生导师。国家高层次人才分外支持操持科技创新领军人才；科技部重点领域创新团队卖力人，团队名称：“固态量子打算与量子信息创新团队”；享受国务院政府分外津贴；2021年得到周培源物理奖；国家自然科学基金委员会创新群体卖力人；2021年获中国科学院大学领雁银奖；2022年得到中国科学院大学唐立新传授教化名师奖。
曾在美国斯坦福大学，IBM研究中央，英国牛津大学，喷鼻香港大学，喷鼻香港中文大学，新加坡国立大学访问并展开互助研究。
紧张研究方向包括：量子打算和量子仿照理论与实验研究。最近集中于：（i）超导量子打算理论与实验；（ii）与金刚石NV中央实验互助；（iii）量子征象仿照、量子虚拟机。
参考文献：
[1]https://arxiv.org/abs/2211.05341
[2]https://www.nature.com/articles/s41534-018-0074-2
来源：光子盒
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