科技突破

固定频率transmon的高保真度CNOT门

实现高保真度的单比特和两比特量子门操作是构建基于门电路的量子计算的基础。两比特门操作则需要实现量子比特之间的耦合，耦合方式有固定耦合和可调耦合两种。对于固定耦合的量子比特，无法关断的静态ZZ耦合和比特之间耦合强度的平方成正比，从而会影响两比特门和单比特门保真度。可调耦合的结构虽然可以通过让两条耦合路径的耦合相互抵消来减少串扰，但为了调节耦合工作点所增加的线路和控制复杂度会引入新的噪声。

最近，IBM的研究人员设计了一种新的耦合方式，仅用固定耦合形成的不同耦合路径来抑制ZZ耦合，避免了增加控制线路，得到的基于CR（cross-resonance）相互作用的CNOT门保真度高达99.77%。在这种新型耦合方式中，耦合由直接的电容耦合和一个1/4波长的谐振腔构成，谐振腔频率比量子比特高，带来的耦合与电容直接耦合相互抵消。对于合适的量子比特平均频率，可满足静态ZZ耦合接近零而等效耦合不为零。实验中测得的等效耦合Jeff为3.5MHz，是ZZ项的130倍。相比之下，只有直接电容耦合的另一个器件等效耦合更小，ZZ项却更大，因此为了产生同样的CR门的ZX耦合项，会产生更大的ZI耦合项（即产生对控制位量子比特的失谐驱动），从而带来误差。这种新型直接CNOT门由于等效耦合J_eff和ZZ耦合项的比值大，可以同时加CR驱动和高保真度的单比特门，最优保真度对应的门时长仅180 ns。

这种多路径的耦合方式可以增加量子比特间的等效耦合，并抑制会增加误差的静态ZZ耦合，相比单个耦合路径在门操作时长和保真度上都有优势。将其用在固定频率的超导量子处理器中，可以在不增加控制复杂度和噪声的前提下实现更优的电路性能。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2011.07050

基于高阻抗超导纳米线的紧凑可调定向耦合器

构建低温下工作的大规模量子计算系统，例如超导量子计算系统，需要体积小、功耗低且在低温下工作的微波电子学器件作为支撑。传统的半导体微波器件存在功耗较大或者需要特殊材料的问题，工艺与现有超导电路难以兼容。而用超导材料实现的这类器件，例如放大器、环形器、微波开关等，基于50欧姆传输线的尺寸太大，基于约瑟夫森结的结构则需要磁屏蔽，都不适合在片上进行集成。近来，超导纳米线作为直流超导、微波耗散极低的动态电感元件受到了广泛关注。其电感只随直流偏置电流或温度变化，尺寸小且工艺简单，易于集成。

近日，来自MIT的研究人员用高阻抗慢波超导NbN纳米线制备了一种前向定向耦合器。其主体部分是两根7nm厚、300nm宽的纳米线。在耦合长度之外，这两根线的两端通过阻抗渐变的变窄结构（taper）引出，构成了一个四端口的前向定向耦合器。线条下方衬底是硅，上方依次是HSQ介质和金的地平面，构成带状线，工艺上和超导量子电路兼容。这个结构的抽象模型是耦合的LC梯子，可以用耦合模理论分析。慢波对应高折射率，高电感和低损耗对应短耦合长度，从而减小了芯片尺寸，耦合部分仅占416μm²，加上taper有1.75mm²。定向耦合器在不同频率上的耦合率则可以通过电流调节，插损和隔离度达到基本可用范围。

可调定向耦合器能用于超导量子计算中的比特间可调耦合、读出、片上信号处理和复用，大大减少对体积很大的商用定向耦合器和功分器的需求。此外，它在单光子探测、超导量子干涉仪磁强计和射频天文学上也有重要的应用。基于超导纳米线的技术还有望用于制备其它紧凑的微波器件，为实现超导纳米线单片微波集成电路打下基础。

论文信息：

https://arxiv.org/abs/2011.11406

微型超高速量子压缩光场探测器

压缩光场作为一种非常有用的量子效应，可用于量子通信、量子计算和量子测量等领域，例如被LIGO和Virgo引力波观测站用来提高探测器灵敏度，突破量子极限。实现对压缩光场的测量，则需要具有超低电子噪声的探测器，才能够检测出光场的弱量子特性。然而到目前为止，这类探测器的测量带宽一直限制在1GHz左右。

英国的一个研究小组最近设计了一种新的微型高速量子压缩光场探测器，实现了宽带、高速的压缩光场探测。该设计将互补的CMOS兼容型锗硅纳米光子学器件与锗硅集成放大电子器件结合，如下图所示，其探测器包含集成光子线路（photonic integrated circuit, PIC）芯片和跨阻放大器（transimpedance amplifiers, TIA）芯片两部分。这两种互补器件的结合减小了整个零差探测器的总电容，从而提高了探测器对压缩光场的测量速度，实现了1.7GHz的3dB带宽，总带宽受散粒噪声限制到9GHz，能够在100MHz到9GHz的宽带范围内对连续激光泵浦的压缩光场进行探测，并用它进行状态层析成像。该研究成果发表在了最新的《Nature Photonics》期刊上。

这种微型集成超高速压缩光场探测器，将测量带宽提高了近一个数量级，可以为连续变量量子光学提供快速和多目标的零差探测，也为光量子器件的全栈集成开辟了一种路径，还能够用于更高性能的量子计算和量子通信等领域。

论文信息：

http://dx.doi.org/10.1038/s41566-020-00715-5

光子发射的偏振态可用光学方法探测到晶体中的分子自旋状态

近日，美国的一组研究人员已经证明，通过光子发射的偏振态，可以用光学方法探测到晶体中的分子自旋状态。使得研究小组能够精确地读出分子中的自旋状态——这种能力可以设计出更灵活、更可控的量子比特。

图1｜研究量子比特技术（来源：芝加哥大学）

截至目前，事实证明最成功的量子计算基本单位是离子阱量子比特和超导量子比特。然而，这两种技术都有明显的缺点。离子阱量子比特需要高真空和电磁阱，而超导量子比特必须由相同的量子电路制成，这些量子电路很难按所需的一致性来生产。与其余碳晶格不同，NV中心有一个自旋，可以很容易地对其进行操纵并用激光读出。不幸的是，创建NV中心的过程，包括在将金刚石暴露于氮气之前，对其进行辐照，因此很难精确执行。

图2｜金刚石量子比特（来源：Physics）

芝加哥大学的凝聚态物理学家David Awschalom解释说，建立可扩展的固态量子系统，主要挑战之一是将量子比特置放置于晶圆长度的原子尺度上。

研究小组希望，将一个量子比特的输出与另一个量子比特的输入连接起来，用此系统首先构建光量子门，然后构建量子电路。佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的Stephen Hill在评论这项工作时说，分子材料作为量子计算的潜在量子比特是非常有前途的，但该领域目前较为落后，部分原因是一些关键特性尚未得到证明。而这项工作证明了这些关键特性之一。结果本身并不会带来太大的惊喜，但对该领域而言，它在实际证明这一点上，取得了令人振奋的巨大进步。

我国量子精密测量技术大突破

近日，中科大微观磁共振重点实验室杜江峰院士、石发展教授等，与爱荷华大学巫晓东教授合作，在金刚石氮-空位（NV）色心体系的量子精密测量方面取得了新进展。
     团队运用了一种模仿人脑神经网络的人工算法——“深度学习”法，此方法在模式识别和噪声消除方面，具有很强的能力。 他们对基于金刚石量子精密测量技术的纳米核磁共振二维谱进行加速，将探测效率提高近一个量级。实验成果以论文“Artificial intelligence enhanced two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy”，发表在《自然》杂志中的量子信息板块。

核磁共振的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法，在结构生物学和临床医学上具有广泛应用。 金刚石氮-空位（NV）色心，作为一种出色的量子传感器，可以实现纳米级别甚至单分子中的核磁共振。

中科大微观磁共振重点实验室，基于NV色心的纳米核磁共振，首次以一对耦合的碳-13核自旋为探测对象，实现纳米二维核磁共振谱。 实验中，由于微观核磁信号极弱，所以信号的积累通常需要耗费很长时间，才能获取较高信噪比。 研究团队在论文中提出，结合深度学习与稀疏矩阵填充的方法，可以加速二维纳米核磁共振谱的探测。 通过人工智能协议，在单核自旋簇的二维纳米二维核磁共振谱上以10%的采样率，覆盖范围内可以使信噪比增强近4倍（5.7 ± 1.3dB）。 与传统的多维核磁共振一样，必须使用更有效的数据积累和处理方法，才能以高空间分辨率的氮空位传感器实现适用的二维纳米尺度二维核磁共振谱，应用于纳米尺度下单分子的结构解析。 人工智能算法增强的二维纳米核磁共振谱，从本质上抑制了观测噪声，提高了灵敏度。

图｜(a)采取深度学习算法之后，可以从少量的信息中提取复杂的纳米核磁谱线信息，从而大大提高实验测量效率。(b) 深度学习结合矩阵填充算法在保持重构能力的同时可以去除掉偏倚（来源：Nature）