优于其他超导量子比特数千倍！猫态量子比特实现超过十秒的受控比特翻转时间

内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨娴睿/慕一  排版丨沛贤

深度好文：2000字丨8分钟阅读

摘要：量子计算公司Alice & Bob和QUANTIC团队（国立巴黎高等矿业学院PSL分校、巴黎高等师范学院和法国国家信息与自动化研究所）在《Nature》上发布最新研究成果--通过研究猫态量子比特控制比特翻转时间从数毫秒大幅延长至数十秒，该方法优于其他超导量子比特方案数千倍。

2024年5月23 日，量子计算公司 Alice & Bob 宣布在《Nature》杂志上发表其最新的基础性研究成果，展示了其猫态量子比特技术的重大进展。这项名为 “通过猫态量子比特的受控比特翻转时间超过十秒”的研究是与QUANTIC团队（国立巴黎高等矿业学院PSL分校、巴黎高等师范学院和法国国家信息与自动化研究所）合作完成，突出表现超导量子比特稳定性达到空前提高，是实现实用化容错量子计算的重要里程碑。

Alice&Bob，图片来自网络

量子比特（qubits）与各种环境因素易产生相互作用且不易控制，所以很容易出现多种类型的错误，而纠正这些错误的常见策略是基于巨大硬件开销的量子比特架构。一种可能的解决方案是构建本质上可以防止某些类型错误的量子比特，这样可以大大减少纠正其余错误所需的开销。

然而，这一策略依赖于一个条件：对量子比特的任何量子操作都不能破坏已精心设计的保护。一种称为 "猫态量子比特"（cat qubit）的量子比特被编码在量子动力学系统的亚稳态流形中，以获得持续、自主的防止比特翻转的保护。

通常，量子计算机面临两类错误：比特翻转和相位翻转。猫量子比特能指数级减少比特翻转，这类似于数字计算中的经典比特翻转。因此，剩下的相位翻转可以用更简单的纠错码来更有效地解决。

Alice & Bob公司在超导电路实验中实现了受控比特翻转时间超过10秒的猫态量子比特，这比之前发布的猫态量子比特提高了4个数量级。他们制备并获得了量子叠加态成像，测得的相位翻转时间大于490ns。

最重要的是，他们是在没有破坏比特翻转保护的情况下控制了这些量子叠加态的相位。这项实验以超高水平展示了量子控制与固有比特翻转保护的兼容性，表现出这类量子比特在未来量子技术中应用的可行性。

Alice & Bob公司的研究人员将受控比特翻转时间从毫秒级大幅延长至数十秒，优于其他超导量子比特方案数千倍。

Alice & Bob 公司联合创始人&CTO拉斐尔-莱斯坎内（Raphaël Lescanne）说："这次合作很成功，我们充分利用猫态量子比特来设计，在保持量子控制的同时实现了超长的比特翻转时间。未来任重道远，我们将继续应对量子纠错方面的挑战。”

据悉，研究人员曾使用 Alice & Bob 的“Boson 3”芯片组打破过纪录，该芯片组采用了名为“TomCat”的猫态量子比特设计。TomCat采用了一种高效的量子断层扫描（测量）协议，可以在不使用Transmon的情况下控制量子态，Transmon 是许多量子公司常用的电路，但却是猫态量子比特的比特翻转的主要来源之一。这种设计还最大限度地减少了量子比特在芯片上的占用空间，去除了传动系统、电缆和仪器，使这种稳定的量子比特具有可扩展性。

 最近，Alice & Bob公开了他们的新型“Boson 4”芯片组，由于猫态量子比特具有一项奇妙的特性：它们可以指数级抑制比特翻转错误，同时相位翻转错误仅呈线性增加。而Boson4受控比特翻转的时间超过了7分钟，所以Boson 4的性能优于其他超导量子比特。并且，该研究成果已成功发表在《Nature》杂志上。

比特翻转时间图示，图片来自Alice & Bob官网

该研究中突出的关键进展包括： 

1、增强量子控制：研究小组展示了对相干叠加相位的控制与宏观比特翻转时间的兼容，这是实现将猫态量子比特扩展到完全受保护的硬件架构的必要步骤。

2、显著减少量子错误：通过利用一个固有的稳定系统来防止比特翻转，只有相位翻转才是主要的错误源。为了更有效地纠正这些错误，与使用二维码来纠正这两种错误不同，一维码更高效地解决了相位翻转问题。Alice & Bob的CEO Theau Peronnin 说："Alice & Bob 致力于进一步提高猫态量子比特的稳定性并改进量子纠错方法。这项研究得到了《Nature》杂志的认可，凸显了延长比特翻转时间的可行性，这是其他超导量子比特所无法比拟的。”

Alice & Bob公司认为，一台有用的量子计算机至少应具有100个逻辑量子比特和10e-8的错误率，Boson 4则解决了实现这一目标的第一个挑战——比特翻转时间。所以Alice & Bob公司正计划进一步推进其技术。下一次迭代将专注于提高猫态量子比特的相位翻转时间和读出保真度，以达到其新架构的设计要求，从而打造一台能提供100个逻辑量子比特的量子计算机。

 

*从用于二维低开销量子计算的LDPC-cat码中，展示了用1500个物理量子比特创建100个高保真逻辑量子比特所需性能；在执行Z门的过程中发生错误的概率，执行该操作改变了猫态量子比特的相位。图片来自Alice & Bob官网

Alice & Bob 是一家总部位于巴黎和波士顿的量子计算公司，其目标是创建第一台通用型容错量子计算机。Alice & Bob成立于2020年，目前已筹集到3000万欧元资金，雇佣了超过95名员工，并取得了超越谷歌或IBM等科技巨头的实验成果。Alice & Bob 专注于猫态量子比特（cat qubits）的技术研究，这是该公司创始人开发的一项开创性技术，后来被亚马逊采用。

最近，Alice & Bob 展示了其猫态架构的强大功能，与其他路线相比，它可以将构建实用的大规模量子计算机的硬件要求降低多达 200 倍。目前，Alice & Bob猫态量子比特可供任何人通过云访问进行测试。

参考资料：

1.https://alice-bob.com/newsroom/alice-bob-cat-qubit-published-in-nature/

2.https://alice-bob.com/products/quantum-cloud-felis/boson-4/

3.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07294-3