中国科大“驯服”量子芯片中的幽灵比特，为大规模量子计算扫清关键障碍

随着超导量子芯片从少数几个量子比特扩展至百级乃至千级规模，一个隐蔽却致命的挑战逐渐浮出水面——旁观比特泄露。

近日，中国科学技术大学物理学院郭国平教授、段鹏副研究员团队，在可扩展超导量子计算领域取得重要突破，成功解决了大规模超导量子处理器里的旁观比特泄露难题，相关研究成果已发表在国际权威期刊《Physical Review Letters》上。

要理解这项突破的意义，首先要明白一个基本问题：量子比特为什么越来越“难管”？

在超导量子芯片上，量子比特、耦合器及相关能级日益密集。随着芯片规模不断增大，频率拥挤和频率碰撞逐渐成为了限制处理器扩展的核心难题。当执行CZ（受控Z门）等两比特量子门时，参与门操作的量子比特会可能会与周围不直接参与操作的“旁观比特”进入近共振区域，产生非期望的相干交换，导致量子态“泄露”到计算空间之外。通俗地说，就是本该在“A车道”运行的数据，跑到了“B车道”上，计算结果自然出错。

传统解决方案是精细规划每一个量子比特的工作频率，尽可能避开容易发生共振的区间。但这条路越往后越难走，因为比特数量变多、芯片连接复杂度提升，同时并行执行的量子门也不断增加，有限的频率空间被挤得满满当当，靠单纯“躲频率”的办法已经很难支撑更大规模芯片的需求。

面对这一困境，中科大研究团队另辟蹊径，提出了基于不变子空间工程的动态哈密顿量调控新方法，不靠被动避让，而是主动调控系统动力学，从源头抑制泄露问题。

当旁观比特进入近共振状态，原本简单的两比特运算体系，就演变成了包含旁观态的三能级相互作用系统。该研究团队借助芯片上的可调耦合器做动态调节，把量子态划分成“亮态”和“暗态”，让暗态和量子门操作空间彻底解耦，把整个系统的哈密顿量改写成块对角形式。这样一来，CZ门的演化过程就被牢牢约束在安全的二维不变子空间中，旁观比特的泄露通道被从本质上堵住，不用再刻意回避近共振条件也能稳定运算。

图1：不变子空间工程抑制旁观比特泄露的原理示意图。（a）三量子比特及可调耦合器结构；（b）近共振条件下的有效三能级模型；（c）哈密顿量块对角化及二维不变子空间。

据悉，这套全新方案在本源“悟空”超导量子处理器上完成了完整实验验证。在单个旁观比特处于近共振的条件下，经过动态调控优化，单次CZ门的旁观泄露率，从原来的1.215×10⁻³下降至4 (3)×10⁻⁵，泄露被抑制约30倍，CZ门的运算误差直接回落至和旁观比特远离共振时的基准性能持平。实验数据分析证实，该方案主要针对性消除泄露带来的相干误差，不会额外引入新的误差来源，具备很好的实用性。

大规模芯片往往会出现多个旁观比特同时靠近共振的复杂场景，方案的可扩展性至关重要。该研究团队进一步开展多比特测试，结果显示，各个旁观比特造成的泄露在研究参数范围内近似相互独立，可以分别调节对应的耦合器，同步完成多路泄露抑制。该研究团队选取了芯片上5比特的不同区域，搭配多种旁观比特组合反复开展统计实验，均得到稳定可复现的抑制效果，充分证明这套技术能够适配复杂、多比特的真实芯片工况。

图2：多旁观比特条件下的泄露实验。（a）5比特实验结构；（b）不同近共振旁观比特组合对应的泄露率；（c）三个旁观比特同时近共振时，泄露与随机交叉熵基准测试线路层数的变化。

这项研究跳出了传统频率规划的固有思路，从主动重构量子系统动力学的角度，为大规模超导量子芯片的频率碰撞痛点提供了全新解法。它放宽了量子芯片设计对频率排布的严苛约束，为实现高保真量子门、搭建高连接度的可扩展超导量子处理器开辟出了新路径，这套物理思想还有望迁移应用到其他多能级量子系统当中。