全球首次成功检测并识别出限制超导量子比特寿命的缺陷

-向实用量子处理器的实现迈进-

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摘要：日本产综研等组成的研究小组成功采用超导磁通量子比特，详细分析了超导量子比特和二能级缺陷的耦合模型，并推导出每种耦合类型的不同检测条件，从而证实能够通过实验识别出不同类型的缺陷；通过在控制超导量子比特跃迁频率的同时测量二能级缺陷的频谱，成功将量子比特和二能级缺陷耦合类型的差异进行了可视化。

关键词：超导量子比特、量子处理器、量子比特寿命、二能级缺陷、量子计算机、电荷型、临界电流型

日本产综研等组成的研究小组成功采用超导磁通量子比特^[1]检测并识别出限制量子比特寿命的二能级缺陷^[2]。

日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田明、以下「NTT」）と国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下「産総研」）は、超伝導磁束量子ビット※1 を用いて、量子ビットの寿命を制限する 2 準位欠陥※2 を検出・識別することに成功しました。

超导量子比特是实现量子计算机最有潜力的一种构成元素。尽管超导量子比特的相关研发已取得了长足的进展，但容错量子计算^[3]技术的开发仍然很困难，其原因之一就在于量子比特能够保持量子信息的时间（寿命）很短。量子比特是由约瑟夫森结^[4]所构成的。限制量子比特寿命的一个主要噪声就来自于约瑟夫森结的电荷波动所引起的二能级缺陷。因此，要开发能够进行容错量子计算的超导量子处理器，就必须了解二能级缺陷的特性，并减少这种缺陷。

量子コンピュータ実現に向けて、超伝導量子ビットは最も有望な構成要素の一つです。しかし、超伝導量子ビットに関する研究開発の著しい発展にもかかわらず、誤り耐性量子計算※3 が困難である理由の一つは、量子ビットが量子情報を保持することのできる時間（寿命）の短さにあります。この量子ビットの寿命を制限している大きなノイズ源が、量子ビットを構成するジョセフソン接合※4 の電荷揺らぎを引き起こす、2 準位欠陥です。したがって、2 準位欠陥の特性を理解し、低減することが、誤り耐性型量子計算に向けた超伝導量子プロセッサの進展に必要です。

针对理论上已预测的不同种类的二能级缺陷，本研究提出了一种通过实验进行识别的方法，并进行了相关示范。本方法加深了对缺陷特征的理解，如能将这些理解反馈到试样制作当中，优化制造工艺和材料，将有望实现缺陷无限少的长寿命量子比特。

本研究では、理論的に予想されていたタイプの異なる 2 準位欠陥を実験的に識別する方法を提案し、実証しました。本手法により深まった欠陥の特性に対する理解を、試料作製にフィードバックし、作製プロセスや材料を最適化することにより、限りなく欠陥を少なくした長寿命な量子ビットの実現が期待されます。

图1 研究概要。超导量子比特是由约瑟夫森结构成的，而约瑟夫森结当中的绝缘体存在各种二能级缺陷。本研究发现了一种新的方法来识别二能级缺陷与量子比特之间的耦合类型。

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研究背景

在不远的将来，传统计算机通过集成更多电路改善性能的方式将达到物理极限，因此，越来越多的研究人员开始关注基于新原理运行的计算机，特别是量子计算机。曾经，量子力学世界当中的叠加态和纠缠态未能得到很好的利用，而量子计算机积极运用了这些特性，有望在传统计算机所不擅长的大规模搜索和因数分解等领域发挥巨大作用。量子计算机的基本元素是量子比特。有关量子比特已经有很多物理方面的研究，而超导量子比特是其中最有潜力的一种技术路线。

従来のコンピュータは、近い将来、回路上の集積化による特性向上が物理的な限界を迎えると考えられており、新しい原理で動作するコンピュータの研究が注目を集めています。特に、量子コンピュータはこれまであまり活用されてこなかった量子力学の世界で現れる重ね合わせやもつれ状態を積極的に利用し、従来のコンピュータが苦手とする大規模検索や因数分解などに威力を発揮すると期待されています。量子コンピュータの基本要素である量子ビットは、様々な物理系が研究されていますが、超伝導量子ビットは最も有力な候補の一つです。

超导量子比特的相关研发已经有了长足的发展，然而容错量子计算技术的开发仍然十分困难，其原因之一在于量子比特寿命较短。限制量子比特寿命的一个重要噪声源就是二能级缺陷。理解二能级缺陷的特征并减少这种缺陷，是实现容错量子计算的一个难题（图1）。

超伝導量子ビットに関する研究開発の著しい発展にもかかわらず、誤り耐性量子計算が困難である理由の一つは、量子ビットの寿命の短さにあります。この量子ビットの寿命を制限している大きなノイズ源が、2 準位欠陥です。そこで、2 準位欠陥の特性を理解し低減することが、誤り耐性量子計算実現に向けた一つの課題となっています（図 1）。

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研究成果

针对超导量子比特中所存在的不同种类的二能级缺陷（电荷型^[5]和临界电流型^[6]），研究小组提出了一种检测识别的方法，并进行了示范实验（图2）。尽管以往已经存在多种检测二能级缺陷的方法，理论上也已经预测存在不同类型的二能级缺陷，但本次是首次通过实验检测并识别不同类型的缺陷。

研究グループは、超伝導量子ビット中に存在する異なるタイプの 2 準位欠陥(電荷型*5 と臨界電流型*6)を検出・識別する方法を提案し、実証実験を行いました(図 2)。これまでも 2 準位欠陥はいくつかの方法で検出されており、異なるタイプの存在も理論的に予想されていましたが、実験で検出・識別されたのは初めてです。

图2 限制超导量子比特寿命的二能级（TLS）缺陷的识别实验。δn和δc分别表示约瑟夫森结的电荷波动和临界电流波动，AlO_x表示绝缘体材料氧化铝。

2.1二能级缺陷的检测条件

超导量子比特与二能级缺陷之间的耦合主要有两种类型：电荷型和临界电流型。在电荷型中，二能级缺陷的电荷波动会引起约瑟夫森结的电荷位移，从而导致二能级缺陷与量子比特耦合（图3a）；在临界电流型中，二能级缺陷的电荷波动会使约瑟夫森结的临界电流发生变化，从而导致二能级缺陷与量子比特耦合（图3b）。

超伝導量子ビットと 2 準位欠陥の結合には、主に電荷型と臨界電流型の 2 種類のタイプが存在します。電荷型では、2 準位欠陥の電荷揺らぎがジョセフソン接合の電荷の変位を引き起こすことで２準位欠陥と量子ビットが結合します（図 3a）。臨界電流型では、2 準位欠陥の電荷揺らぎがジョセフソン接合の臨界電流の変化を引き起こすことで 2 準位欠陥と量子ビットが結合します(図 3b)。

电荷型的二能级缺陷可以通过量子比特的一型激发和二能级缺陷的一型激发之间的共振来检测（图3c）。此处二者的频率差|ω_qb − ω_TLS|会被微波驱动导致的量子比特的频移Ω_R所补偿；而临界电流型的二能级缺陷可以通过量子比特的二型激发和二能级缺陷的一型激发之间的共振来检测（图3d）。

发现了上述检测条件的差异后，研究小组就能够识别出不同类型的耦合。

電荷型の 2 準位欠陥は、量子ビットの 1 励起と 2 準位欠陥の 1 励起が共鳴することにより、検出されます(図 3c)。ここで、両者の周波数の差|𝜔qb − 𝜔TLS|は、マイクロ波ドライブによる量子ビットの周波数シフトΩRで補われます。一方、臨界電流型の 2 準位欠陥は、量子ビットの 2 励起と 2 準位欠陥の 1 励起が共鳴することにより検出されます(図 3d)。この検出条件の違いを見出したため、異なるタイプの結合を識別することが可能となりました。

图3 (a)电荷型的二能级缺陷 (b)临界电流型的二能级缺陷 (c)电荷型的二能级缺陷的检测条件 (d)临界电流型的二能级缺陷的检测条件。Ω_R、𝜔_qb、𝜔_TLS分别表示微波强度、量子比特的跃迁频率和二能级缺陷的跃迁频率。

2.2 二能级缺陷的频谱测量

通过测量二能级缺陷的频谱，可以将上述检测条件的差异进行可视化。在本实验中，二能级缺陷的频谱是一边微调施加在磁通量子比特上的磁通量，一边进行测量的（图4b，c）。图4c所示的二能级缺陷1-3（TLS1-3）显示出与图4a中的量子比特的频谱相同的曲率，表明量子比特的一型激发与二能级缺陷的一型激发发生共振，即该缺陷为电荷型的二能级缺陷。而图4c所示的二能级缺陷4和5（TLS4,5）显示出两倍于量子比特频谱的曲率，表明量子比特的二型激发与二能级缺陷的一型激发生了共振，即该缺陷属于临界电流型。

上述の検出条件の違いは、2 準位欠陥のスペクトルを測定することにより可視化することができます。ここでは、磁束量子ビットに印加する磁束を少しずつ変えながら、2 準位欠陥のスペクトルを測定しました(図 4b, c)。図 4c に示した 1-3 の 2 準位欠陥(TLS1-3)は、図 4a の量子ビットのスペクトルと同じ曲率を示していることから、量子ビットの 1 励起と 2 準位欠陥の 1 励起が共鳴する電荷型の 2 準位欠陥であることが分かります。一方、図 4c に示した 4, 5 の 2 準位欠陥(TLS4, 5)は、量子ビットスペクトルの 2 倍の曲率を示していることから、量子ビットの 2 励起と 2 準位欠陥の 1 励起が共鳴する臨界電流型であることが分かります。

图4 (a)磁通量子比特的微波吸收频谱 (b)二能级缺陷的频谱（实验） (c)二能级缺陷的频谱（实验+拟合）。图片所示为绝对值，因此方向相反，但可通过曲率和斜率来判别。

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技术要点

(1）详细分析了超导量子比特和二能级缺陷的耦合模型，并推导出每种耦合类型的不同检测条件，从而证实能够通过实验识别出不同类型的缺陷。

（１）超伝導量子ビットと 2 準位欠陥の結合モデルを詳細に解析し、結合タイプごとに異なる検出条件を導き出すことで、実験で識別可能であることを示しました。

(2）通过在控制超导量子比特跃迁频率的同时测量二能级缺陷的频谱，成功将量子比特和二能级缺陷耦合类型的差异进行了可视化。

（２）超伝導量子ビットの遷移周波数を制御しながら、2 準位欠陥のスペクトルを測定することにより、量子ビットと 2 準位欠陥の結合タイプの違いをスペクトル上で可視化することに成功しました。

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未来发展

基于本研究成果，将能够通过扫描量子比特的频率来区分不同类型的二能级缺陷。同时，本研究的开展将大大促进对缺陷特征的理解。研究小组还将把上述结果反馈到试样制作当中，优化制造工艺和材料，力争实现无缺陷的长寿命超导量子比特。

今回の成果により、量子ビットの周波数を掃引することで、異なるタイプの 2 準位欠陥を識別することが可能となりました。本研究を進めることで、欠陥の特性の解明が大幅に促進されます。さらに、その結果を試料作製にフィードバックし、作製プロセスや材料を最適化することにより、欠陥のない長寿命な超伝導量子ビットの実現をめざします。

此外，作为短期应用，研究小组可以对二能级缺陷引起的噪声进行建模，从而研究其在优化量子比特的门操作方面的应用，以提高当前量子计算机的性能，从而实现容错量子计算机。

また、短期的な応用として 2 準位欠陥によるノイズのモデル化が可能となることから、現状の量子コンピュータの性能向上に向けた、量子ビットのゲート操作最適化への適用についても研究を進め、誤り耐性型量子コンピュータの実現をめざします。

<术语解说>

1.超导磁通量子比特

一种超导电路，由包括多个约瑟夫森结的超导环路组成，通过施加适当的磁场偏置，即可将顺时针电流状态和逆时针电流状态这两种状态作为量子二能级系统来使用（见图5）。

图5 超导磁通量子比特。JJ表示约瑟夫森结。

2.二能级系统（Two Level System, TLS）缺陷

约瑟夫森结的绝缘体或超导薄膜表面的氧化膜中存在如图6c所示的各种缺陷，会引起电荷波动。将这些缺陷简化后的模型便是二能级缺陷。该模型将缺陷视为在两个空间稳定点之间移动的电荷。

图6 (a)约瑟夫森结的横截面 (b)理想的约瑟夫森结 (c)二能级缺陷的来源

3.容错量子计算

量子的“叠加态”很容易受到外部噪声影响。容错量子计算即在量子计算的同时，对表现为叠加态的逻辑量子比特的错误进行纠正与抑制。通过使用量子纠错和量子抑制等方法，用多个量子比特构建单一的逻辑量子比特并进行量子计算。

4.约瑟夫森结

在两个超导体之间夹一层超薄绝缘薄膜的结构（图6）。相对于超导体的相位，该结构能够形成非线性超导电流，因此被用作超导量子电路中的非线性元件。超导量子比特通常采用铝制作超导体，使用氧化铝制作绝缘体。

5.电荷型

一种超导量子比特和二能级缺陷之间的耦合类型。在电荷型中，二能级缺陷的电荷波动会引起约瑟夫森结的电荷位移，导致二能级缺陷与量子比特耦合。电荷型的二能级缺陷可以通过量子比特的一型激发和二能级缺陷的一型激发之间的共振来检测（图3c）。

6.临界电流型

一种超导量子比特与二能级缺陷之间的耦合类型。在临界电流型中，二能级缺陷的电荷波动会使约瑟夫森结的临界电流发生变化，从而导致二能级缺陷与量子比特耦合（图3b）。临界电流型的二能级缺陷可以通过量子比特的二型激发和二能级缺陷的一型激发之间的共振来检测（图3d）。

翻译：王京徽

审校：刘翔

李涵

通稿：李涵

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