量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)現(xiàn)象（如疊加和糾纏），可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地解決某些特定問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)有望解決當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)需要新的研究工具。現(xiàn)在，西北大學(xué)的研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一種用于分析大型超導(dǎo)電路的理論工具。 

相關(guān)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間9 月 13 日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論研究》上，論文標(biāo)題為《Variational tight-binding method for simulating large superconducting circuits》（模擬大型超導(dǎo)電路的變分緊束縛方法）。

超導(dǎo)電路使用超導(dǎo)量子比特（量子計(jì)算機(jī)的最小單元）來(lái)存儲(chǔ)信息。提高超導(dǎo)量子比特的相干性和抗噪能力開(kāi)發(fā)下一代糾錯(cuò)量子處理器路線(xiàn)圖的關(guān)鍵要求。因此，超導(dǎo)電路中的固有噪聲保護(hù)已成為研究的重要焦點(diǎn)。

防止有害噪聲往往以增加電路復(fù)雜性為代價(jià)。對(duì)于像transmon這樣的小電路來(lái)說(shuō)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)去極化和去相位保護(hù)是不可能的，而是需要具有兩個(gè)或更多自由度的電路。目前，處理大型電路建模的工具很少，因此，西北大學(xué)的方法對(duì)研究界具有重要貢獻(xiàn)。

“我們的框架受到最初為研究晶體中電子而開(kāi)發(fā)的方法的啟發(fā)，使我們能夠?qū)σ郧昂茈y或不可能訪(fǎng)問(wèn)的電路進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。”該論文的通訊作者兼第一作者 Daniel Weiss 說(shuō)。

Daniel Weiss是超導(dǎo)量子比特專(zhuān)家Jens Koch研究小組的四年級(jí)研究生。而Jens Koch 是超導(dǎo)量子材料與系統(tǒng)中心 (Superconducting Quantum Materials and Systems Center ，簡(jiǎn)稱(chēng)SQMS) 和量子優(yōu)勢(shì)聯(lián)合設(shè)計(jì)中心 (Co-design Center for Quantum Advantage ，簡(jiǎn)稱(chēng)C2QA) 的成員。這兩個(gè)中心都由美國(guó)能源部在2020年建立。 SQMS 專(zhuān)注于構(gòu)建和部署基于超導(dǎo)技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)。C2QA 正在構(gòu)建創(chuàng)建可擴(kuò)展、分布式和容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需的基本工具。

“研究人員發(fā)展了一種通用化的實(shí)現(xiàn)大型超導(dǎo)線(xiàn)路中譜分析的固態(tài)緊束縛技術(shù)。發(fā)現(xiàn)，緊束縛態(tài)相比于電荷基態(tài)，更適合用作低等激發(fā)的近似，鏡像電流就是其中一個(gè)有趣的實(shí)例。利用緊束縛態(tài)可以有效地降低使得能譜收斂的過(guò)程中所需希爾伯特空間的維度，因而可以用來(lái)更精確地模擬超出基矢對(duì)角化地方法處理的更大規(guī)模線(xiàn)路?！币晃粐?guó)內(nèi)量子計(jì)算研究者對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎尽?/p>

此項(xiàng)研究中，他們通過(guò)從受保護(hù)的電路中提取使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)無(wú)法獲得的定量信息來(lái)說(shuō)明他們的理論工具的使用。

研究人員專(zhuān)門(mén)研究了受保護(hù)的量子比特。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，這些量子比特免受有害噪聲的影響，而且能夠產(chǎn)生比當(dāng)前最先進(jìn)的量子比特長(zhǎng)得多的相干時(shí)間（保留量子信息的時(shí)間）。這些超導(dǎo)電路必然很大，西北大學(xué)的工具是量化這些電路行為的一種手段。

已經(jīng)有一些工具可以分析大型超導(dǎo)電路，但它們只有在滿(mǎn)足某些條件時(shí)才能很好地起作用。西北大學(xué)的方法是互補(bǔ)的，并且在這些其他工具可能給出次優(yōu)結(jié)果時(shí)效果很好。

論文鏈接為：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.3.033244