前「达摩院量子实验室团队」：重叠约瑟夫森结工艺取重大进展

通用量子计算机开发的主要问题之一是关于量子比特。也就是说，哪些量子物体最适合制造量子计算机的处理器：电子、光子、离子、超导体或其他。过去十年中，超导量子比特已成为量子计算最成功的技术路线之一。迄今为止，商业上最成功的超导量子比特是Transmon，谷歌、IBM和其他世界领先实验室正在积极研究并用于量子开发。

目前还有一种相对较新的超导量子比特，称为Fluxonium，Fluxonium量子比特比Transmon更复杂，研究也较少。Fluxonium的主要优点是它们可以在约600MHz的低频下运行。我们知道频率越低，量子比特的寿命越长，这意味着Fluxonium量子比特的介电损耗可以使叠加状态保持更长的时间。

在5月10日刊登在arXiv的论文：Achieving millisecond coherence Fluxonium through overlap Josephson junctions，团队使用一种适用于大规模超导量子芯片的制备工艺，制造出迄今为止相干性能最好的基于可扩展平面结构的超导量子比特。Fluxonium比特因为其理论上的优势被很多业内人士所看好，然而该类型比特的单个比特的制造复杂度远高于Transmon，具体表现为一个Fluxonium比特由100多个超导隧穿节组成，而一个Transmon比特只需要1-2个节。该工作解决了规模化制备Fluxonium集成芯片技术上的困难；未来我们有望看到基于Fluxonium的高质量大规模超导量子芯片。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2405.05481

本论文由Z-Axis Quantum主要撰写，特别提醒的是：本研究的实验部分在阿里巴巴集团的阿里达摩院量子实验室进行，阿里达摩院实验室于2023年11月宣布关闭，但参与该研究的所有作者都与阿里达摩院量子实验室有关联。

与Transmon相比，Fluxonium具有多种优势。主要优点包括：Fluxonium具有更长的相干时间，这使得在退相干成为问题之前可以执行更多的操作。Fluxonium具有更高的非谐性（量子态之间更大的能量差异），这使得它们不易出错且更易于控制。Fluxonium的工作频率较低，可降低噪音并提高稳定性。

2022年7月，阿里巴巴集团达摩研究院下属的阿里巴巴量子实验室（Alibaba Quantum Laboratory）的研究人员开发了一种使用磁通量子比特的量子处理器，他们的论文发表在《Physical Review Letters》上，展示了磁通量对于开发高性能超导电路的潜力。在测试结果中，由阿里量子实验室的量子平台平均单量子比特门保真度达到99.97%，双量子比特门保真度高达99.72%。这些值是当时可比的超导量子处理器中最好的结果。除了单量子比特和双量子比特门之外，该团队还以一种稳健的方式整合了数字量子计算机复位和读出所需的其他基本操作。

2023年7月，马里兰大学的研究人员终于实现了向前迈出的重要一步，他们制造出的Fluxonium量子比特的寿命是以前的10倍。相干时间达到了1.43毫秒，这可能看起来像一个超级短暂的时间，但它比之前的记录升级了10倍。

研究人员相信，在相干性和稳定性方面，Fluxonium量子比特可以走得更远。当科学家们希望使用各种指标来扩大他们的量子计算系统时，这将是非常重要的。其改进的关键是对工作频率和电路参数的调整，这延长了量子比特的弛豫时间：它在可能的状态之间传递的时间，在此期间可以记录数据。

2023年10月，麻省理工学院的新型Fluxonium量子比特电路，双量子比特门的准确率超过99.9%，单量子比特门的准确率达到99.99%。此外，研究人员利用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这一架构。这项工作开创了耦合两个Fluxonium量子比特的新架构。所实现的门保真度不仅是有记录以来最好的，而且与目前占主导地位的量子比特Transmon的门保真度相当。更重要的是，该架构还提供了参数选择的高度灵活性，这对于升级为多量子比特通子处理器至关重要，

来源：AQT-LBNL（劳伦斯伯克利国家实验室的量子技术公司）提供的SEM图像展示了使用无桥制造技术构建的Fluxonium量子比特

为了实现高性能的Fluxonium量子处理器，研究活动被分为几个互补的方向，这些方向最好通过共同设计过程来进行。要实现未来设备预期的性能，将需要在以下领域取得进展：

1. 制造工艺：开发新的制造技术对于提高量子设备的一致性和质量至关重要。如扫描电子显微镜（SEM）图像所示，使用无桥制造技术可以构建Fluxonium量子比特中的超级电感结构，这种技术避免了额外桥接的需要。

2. 读出与重置：优化量子比特的读出机制和重置过程对于提高量子处理器的效率和准确性是必要的。这可能涉及到改进读出电路的设计和提高量子比特状态初始化的效率。

3. 逻辑门实现：为了执行复杂的量子算法，需要实现高保真度的量子逻辑门。这包括开发新的门操作技术，以及提高现有门操作的精度和速度。

4. 设计与布局工程：量子处理器的设计和布局需要精心规划，以最小化错误并最大化器件的性能。这可能涉及到量子比特的排列方式、它们之间的相互作用以及它们与控制电路的连接。

通过在这些领域取得进展，研究人员希望能够提高Fluxonium量子处理器的整体性能，使其成为实现量子计算潜力的有力竞争者。这些研究活动的目标是构建一个可扩展、高效率且具有高相干时间的量子处理器，这将为解决当前经典计算机难以处理的问题提供新的途径。

我们接下来就看看这次Z-AxisQuantum的最新成果，他们宣布用一种适用于大规模超导量子芯片的约瑟夫森结制备工艺，可制造出迄今为止相干性能最好的基于可扩展平面结构的超导量子比特。

在这项研究中，研究者们精心挑选了2英寸的蓝宝石晶圆作为制造Fluxonium量子比特处理器的基底材料。蓝宝石因其出色的物理特性，尤其是低介电损耗，而成为超导量子器件制备的理想选择。介电损耗对于量子比特的性能至关重要，因为它直接影响到量子比特的相干时间，即量子信息保持不变的时间长度。低介电损耗意味着在量子比特操作过程中能量损耗较小，从而有助于维持量子态的稳定性，这对于实现高性能的量子计算至关重要。

为了在蓝宝石晶圆上制造Fluxonium量子比特，研究者们采用了一种创新的重叠约瑟夫森结（Josephson junction, JJ）工艺。约瑟夫森结是超导量子比特的核心组件，其质量直接决定了量子比特的性能。在传统的制造过程中，约瑟夫森结的制备往往涉及到精确控制的蒸发过程，这要求在整个晶圆上保持恒定的蒸发角度，以确保结的一致性。然而，这种方法在实现大面积晶圆上的均匀性方面存在挑战。

为了克服这些挑战，研究者们采用了一种重叠约瑟夫森结工艺，该工艺通过两次电子束光刻和沉积步骤来形成约瑟夫森结的上下电极。这一过程不需要晶圆倾斜，从而简化了制造流程并提高了结的一致性。在两次沉积步骤之间，通过一次真空中断来形成高质量的阻挡层，这是实现高性能约瑟夫森结的关键。通过这种方法，研究者们能够在蓝宝石晶圆上制造出具有Al/AlOx/Al结构的约瑟夫森结和约瑟夫森结阵列（JJA）。

这种重叠约瑟夫森结工艺的另一个显著优势是其高成品率。在2英寸晶圆上，研究者们实现了接近100%的量子比特成品率，这对于大规模生产量子处理器来说是一个重要的里程碑。此外，通过这种方法制造的量子比特展现出了优异的一致性，其中相位滑移约瑟夫森结的电阻相对标准偏差（RSD%）低于5%，而约瑟夫森结阵列的RSD%则低于2%。这种一致性是通过在晶圆的不同位置上测量具有不同尺寸的16个测试结构的约瑟夫森结和约瑟夫森结阵列的正向电阻来验证的。

这种先进的制造工艺，研究者们不仅提高了量子比特的性能，还为实现可扩展的量子处理器生产提供了一条可行的路径。这一成果标志着在实用量子计算领域迈出了重要的一步，为未来量子技术的发展奠定了坚实的基础。综合考虑到T1和T2的相干时间的性能和芯片的可扩展性，这是“相干性能最好的基于可扩展平面结构的超导量子比特”。

在量子计算领域，量子比特的相干时间是衡量其性能的关键指标之一。相干时间越长，量子信息在操作过程中保持稳定的时间越长，这对于执行复杂的量子算法至关重要。在本研究中，通过采用创新的重叠约瑟夫森结工艺，研究者们成功地在Fluxonium量子比特中实现了超过1毫秒的能量弛豫时间（T1）和接近1毫秒的回波时间（T2,echo）。这一成就在量子计算技术的发展中具有里程碑意义，因为它意味着量子比特可以在更长时间内保持其量子特性，从而提高了量子计算的可靠性和效率。

能量弛豫时间（T1）是指量子比特从激发态自发地回到基态的时间，而回波时间（T2,echo）则是通过特定的量子操作（如自旋回波序列）来延长量子比特的相位相干时间。在实验中，研究者们通过精确的量子态初始化和项目读出，利用动态解耦序列对T2进行了测量。通过这些测量，研究者们能够评估由外部磁场波动引起的量子比特退相干，这对于理解量子比特的噪声特性至关重要。

此外，研究者们还观察到，通过优化约瑟夫森结的制造工艺，可以显著降低介电损耗和1/f磁通噪声，这些噪声是影响量子比特性能的主要因素。介电损耗切线（tanδC）和1/f磁通噪声幅度（AΦ）的测量结果与最先进的Fluxonium量子比特的性能相一致，这表明新工艺在降低噪声方面非常有效。

这些实验结果不仅证明了新工艺在提高量子比特性能方面的有效性，而且展示了使用CMOS兼容工艺实现高相干Fluxonium处理器的可行性。CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺是现代电子制造的主流技术，其兼容性意味着量子处理器的制造可以利用现有的半导体生产线，从而有望降低成本并加速量子计算技术的商业化进程。

此外，这项工作还为量子比特设计提供了新的视角，特别是在考虑如何通过改进材料和制造工艺来减少噪声和提高性能方面。通过深入理解量子比特与其环境的相互作用，研究者们可以更有针对性地设计出更优秀的量子比特结构，以实现更长的相干时间和更高的操作保真度。

总之，这项研究在量子计算硬件的发展中取得了显著进展，为实现大规模、高效率的量子处理器提供了坚实的基础。随着制造技术的不断进步和量子算法的深入研究，量子计算的前景将更加光明，有望在密码学、药物设计、材料科学和复杂系统模拟等领域发挥重要作用。

上图展示了量子比特G在磁通挫败位置的T1（能量松弛时间）和T2,echo（回波时间）的衰减曲线，这些数据对于评估量子比特的性能至关重要。a部分：图3a中，蓝色和橙色曲线分别代表了量子比特G从|0⟩和|1⟩态初始化后的T1衰减曲线。这些曲线通过虚线表示，并且都被拟合到具有相同衰减常数的两个指数函数上。这种拟合方法可以揭示量子比特在不同初始状态下的相干性质。图中的绿色曲线展示了T2,echo的衰减，它通过实线表示，并被拟合到一个单一的指数衰减函数上。T2,echo时间是通过自旋回波脉冲序列测量得到的，它反映了量子比特在受到控制的去相干操作下的相位速度。b部分：图3b描述了量子比特G（蓝色）和另一个量子比特H（橙色）的T1时间的时序波动。这些波动可能由多种因素引起，包括环境噪声、材料缺陷或量子比特的制造变异性。图中包括了T1值的平均值（虚线表示）和它们的分布直方图。平均T1值提供了量子比特相干时间的量化指标，而直方图则展示了测量值的统计分布，这有助于评估量子比特性能的一致性和可重复性。这些数据对于理解量子比特在长时间尺度上的行为至关重要，因为它们可以揭示量子比特的稳定性和可靠性。量子比特的稳定性是实现高精度量子计算的关键因素之一。通过分析T1和T2的衰减曲线，研究者可以优化量子比特的设计，减少噪声，提高量子门的保真度，并最终推动量子计算技术的发展。

近年来，超导量子计算发展迅速，量子比特的数量迅速增加，量子比特的质量也在迅速提高。

各类超导量子比特及其寿命发展情况（2010-2019）表 来源：光子盒整理

以上图表总结了2010-2019年不同类型的超导量子比特寿命的发展。根据自由度的不同，超导量子比特主要分为三类：Charge qubit 、Flux qubit、Phase qubit。此外，在这三种超导量子比特原型的基础上，还衍生出了许多新型超导量子比特，如Transmon-type qubit, 3-JJ flux qubit, C-shunt flux qubit, Fluxonium, 0-πqubit, 以及Hybrid qubit。

通过改进超导量子比特的结构和参数以及制备技术和材料，超导量子比特的寿命被大大提高。2019年之后，随着谷歌利用超导量子芯片实现了量子优越性，对超导路线的研究越来越深入，特别是对超导量子比特的相干性这一核心指标的研究。最新研究进展如下图表所示。

超导量子比特相干时间进展（2021-2024）来源：光子盒整理

超导环路的设计：超导量子比特是一种微米大小的超导环路，其中电流可以顺时针或逆时针流动，也可以实现双向量子叠加。新的叠加设计有助于提高量子比特的稳定性和相干时间。

- 超级电感元件的应用：通过在基于超导量子比特的量子计算机中应用超级电感元件，可以抑制量子涨落，从而在一定参数区间内显著提高量子相干时间两个数量级。

- 新型量子比特的开发：例如，2023年7月，Alice & Bob及其在法国ENS-PSL和ENSdeLyon的合作伙伴在增强“猫量子比特”（catqubit）的稳定性和控制力方面取得了显著进展，提出的新方法可将比特翻转时间延长至10秒以上（是之前猫量子比特实现时间的四个数量级以上），同时仍能完全控制猫量子比特。

目前，量子计算未来将实现的第一个“杀手级应用”究竟是什么仍然是个问题，随着各家整机公司陆续发布技术路线图，量子计算解决实际问题的时间越来越确定，为量子计算寻找“杀手级应用”的压力也越来越大。

超导量子比特长相干的成就只是开发实用量子计算机众多必要步骤中的一步，接下来的里程碑还是未来能在设备上真正实现一些有用的功能，以及开发出“纠错”量子计算机。

[1]https://news.mit.edu/2023/new-qubit-circuit-enables-quantum-operations-higher-accuracy-0925

[2]https://www.hpcwire.com/2023/04/12/will-Fluxonium-qubits-join-the-crowded-race-for-effective-qubits/

[3]https://www.researchgate.net/publication/342301953_Superconducting_Quantum_Computing_A_Review

[4]https://arxiv.org/pdf/2201.03438

[5]https://www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231026161027.htm

[6]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240226204636.htm

[7]https://dataspace.princeton.edu/handle/88435/dsp01f4752k95d

[8]https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/xwjj/202109/t20210925_45180.html