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Low-leakage superconducting-qubit measurement with sub-100-ns total duration

本文通过利用大的谐振器衰减率和优化的色散位移，展示了一种快速、高保真且低泄漏的超导量子比特测量协议，该协议实现了 97 ns 的总时长和 0.17% 的分配误差，从而能够以最小的状态跃迁进行快速读取，适用于量子纠错。

原作者： Peter A. Spring, Adrian L. Hesse, Shiyu Wang, Shuhei Tamate, Yasunobu Nakamura

发布于 2026-08-27

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原作者： Peter A. Spring, Adrian L. Hesse, Shiyu Wang, Shuhei Tamate, Yasunobu Nakamura

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在量子计算领域，机器的大脑由微小的电路组成，这些电路可以同时存在两种状态，这一特性使其能够解决普通计算机无法处理的问题。然而，这些电路极其脆弱。为了使用它们，科学家必须不断检查其状态，这个过程称为“测量”，以确保它们运行正常，并在错误扩散前进行纠正。这种检查必须极其快速且准确，因为一旦电路在等待测量时处于闲置状态，它就会开始丢失其脆弱的量子信息。多年来，构建这些强大机器的一个主要瓶颈在于：读取电路状态的速度比操纵它的操作更慢，且更容易出错。如果读取过程太慢，信息就会消逝；如果过于剧烈，观察电路的行为本身就可能将其从预定状态中干扰出来。

来自日本理化学研究所（RIKEN）量子计算研究中心的团队现在展示了一种以空前速度和温和程度读取超导电路状态的方法。他们成功地在不到一百纳秒内完成了一次完整的测量，这是一个以十亿分之一秒计的时间尺度。更重要的是，他们实现这一目标时并未干扰电路，也没有导致电路泄漏到不希望出现的更高能级状态中，从而破坏了计算。通过仔细调节电路与专用滤波器之间的相互作用，该团队证明了即使在组件频率非常接近的情况下，实现快速且准确的量子信息读取也是可能的，而这种情况此前被认为对于高速操作来说风险过高。

研究人员专注于一种被称为“transmon”的特定类型量子电路，这是许多现代量子处理器中的标准构建模块。为了测量这种电路的状态，他们使用了一种称为“色散读取”（dispersive readout）的技术。想象一下，该电路连接到一个谐振器上，谐振器是一个可以容纳电磁波的小腔室，就像吉他弦可以保持特定的音高一样。当电路处于一种状态时，它会轻微改变谐振器的音高；当它处于另一种状态时，音高的变化则不同。通过向该谐振器发送信号并监听信号如何反射回来，科学家就可以判断电路处于哪种状态。挑战始终在于平衡速度与安全性。为了快速获得清晰信号，需要电路与谐振器之间有很强的连接，但强连接也会导致电路丢失能量或跳到错误的能级。

在这项新工作中，团队在设置中引入了一个专用的滤波器谐振器。这个滤波器充当了“守门员”的角色，在允许测量信号高效通过的同时，保护主电路免受不必要的噪声干扰。他们设计的系统使谐振器对测量信号的响应非常迅速，从而使他们能够在仅 58 纳秒内收集到足够的信息做出决策。一旦测量脉冲结束，谐振器中剩余的能量会在几十纳秒内被动地排空，无需任何额外的活动脉冲来清除。这种快速清除意味着电路几乎可以立即恢复正常运行。研究人员将总测量时间定义为从脉冲开始到测量引入的误差降至极低阈值之间的时段。他们发现这一总时间为 97 纳秒。

团队还严格测试了这种快速测量是否会导致电路“泄漏”到不属于标准双状态系统的更高能级中。这种泄漏是当测量过强或组件频率过近时常见的问题。通过使用一种专门的、高灵敏度的测量序列，他们对数千次重复试验中的电路行为进行了追踪。他们发现，电路泄漏到这些不希望出现的状态的速率极低，仅为自然背景泄漏率（即即使没有测量也会发生的自然泄漏）的两倍左右。该泄漏率比测量导致电路弛豫或失去能量的速率（这是主要的误差来源）要小两个数量级。

为了理解为什么该系统在理论上可能出现许多不希望出现的共振的机制下仍能保持如此稳定，研究人员运行了详细的计算机模拟。他们检查了测量信号与电路能级之间复杂的相互作用。他们的模拟显示，尽管测量脉冲确实经过了几个可能发生共振的点，但这些点处的状态连接极其微弱。由于谐振器排空能量的速度非常快，系统移动经过这些潜在的故障点时速度极快，以至于无法卡住或跳到错误的能级。这种快速通过意味着电路在跨越这些边界时不会受到干扰，这一过程被称为“绝热路径之外的非绝热穿越”（traversing diabatically）。

结果证实，即使在电路与谐振器频率非常接近的情况下，实现快速、高保真且低泄漏的测量也是可能的。这一发现具有重要意义，因为它消除了对量子处理器设计的重大约束。此前，工程师们可能会觉得被迫将这些组件分得很开以避免误差，这会使设计变得复杂并降低性能。通过展示大衰减率结合精心优化的信号可以在较小的频率差下有效工作，这项工作为开发更紧凑、更高效的量子处理器打开了大门。在不到 100 纳秒内以如此高精度读取量子比特状态的能力，使实现纠错量子计算机的实际进程又向前迈进了一步。

技术摘要：总时长低于 100 ns 的低泄漏超导量子比特测量

问题陈述
快速、准确且低泄漏的量子比特测量是量子纠错（QEC）的基本要求，因为它为前馈操作提供条件并提取稳定器综合征（stabilizer syndromes）。在超导量子处理器中，读取过程仍然是一个瓶

颈，其速度通常比单比特和双比特门操作更慢，且更容易出错。在色散读取中存在一个主要权衡：为了获得较高的每光子信噪比（SNR），通常需要色散移位（ $\chi$ ）与谐振器衰减率（ $\kappa$ ）相当，这在较小的量子比特-谐振器失谐量下最容易实现。然而，小失谐机制在理论上容易产生密集的多光子共振，从而诱发测量诱导的状态转换（MIST），导致脱离计算子空间（即发生泄漏）。相反，高失谐机制虽然可以抑制这些共振，但往往会牺牲 SNR 效率或需要复杂的工程设计。挑战在于确定在小失谐机制下，快速、高保真度的读取是否与低泄漏兼容。

方法论
作者研究了一个位于具有可平铺 3D 集成电路架构的 64 量子比特处理器中的超导跨子（transmon）量子比特。读取系统利用一个专门的滤波器谐振器耦合到读取谐振器，这种设计通过抑制馈线引起的量子比特弛豫，同时允许实现较大的读取带宽。

关键实验策略包括：

优化的读取参数： 系统被调谐至较小的量子比特-谐振器失谐量，频率比为 $\omega_r/\omega_q = 1.24$ 。设计目标是使状态平均有效谐振器衰减率达到 $\kappa_{\text{eff}}/2\pi = 30.8$ MHz，并且色散移位接近最优每光子 SNR 条件（ $|\chi| \approx \kappa/2$ ）。
快速测量脉冲： 采用了一个 58 ns 的测量脉冲，该脉冲具有用于提升早期 SNR 的高振幅初始部分，以及用于边缘处理的余弦斜坡。
被动耗尽： 实验依赖于较大的 $\kappa_{\text{eff}}$ ，使残余的读取光子能在数十纳秒内被被动耗尽，从而避免了对主动耗尽脉冲的需求。
基准测试协议：
- 分配保真度（Assignment Fidelity）： 通过包含状态准备、58 ns 测量、延迟和第二次测量的序列进行测量，并利用具有高量子效率的通量驱动阻抗匹配参数放大器（IMPA）进行测量。
- 总时长： 定义为从测量脉冲开始到后续 $\pi$ 脉冲上的测量诱导误差降至 $10^{-4}$ 以下的时间。这是通过重复“测量- $\pi$ 脉冲”模块并分析最终状态分布来确定的。
- 泄漏表征： 使用 192 ns 脉冲和机器学习分类器（异质检测路径的对数特征）进行泄漏敏感测量，以区分计算态（ $|0\rangle, |1\rangle$ ）和泄漏态（ $|2\rangle$ 到 $|4\rangle$ ）。
- MIST 基准测试： 通过重复测量序列累积泄漏和弛豫误差，以提取每次测量的转换概率。
理论分析： 使用 Floquet 模拟来分析工作点处的多光子共振和杂化参数。

关键结果

速度与保真度： 使用 58 ns 测量脉冲时，系统实现了分配误差 $\epsilon_F = 0.17(1)\%$ 。总测量时长（定义为高保真操作的恢复时间）为 $t_{\text{meas}} = 97(1)$ ns。该恢复时间是在无需主动耗尽光子的情况下，仅依靠被动衰减实现的。
泄漏率： 测得的测量诱导泄漏率为每次测量 $P_L^{\text{on}} = 2.7(2) \times 10^{-5}$ 。这仅为背景泄漏率（ $1.3(3) \times 10^{-5}$ ）的两倍，且比测量诱导弛豫率（ $P_{10}^{\text{on}} = 7.55 \times 10^{-3}$ ）低两个数量级。
主要误差源： 分配误差主要由测量诱导的弛豫（ $|1\rangle \to |0\rangle$ ）主导，这类误差约占总误差的 80%，而非泄漏。
低泄漏机制： 尽管在预期存在密集多光子共振的小失谐机制下运行，但 Floquet 模拟显示，测量脉冲经过的共振耦合非常弱。有效的衰减率足够大，使得这些共振是以绝热（diabatically，此处指快速非绝热）方式被经过的，从而防止了向泄漏态的显著布居转移。模拟估计的最大泄漏概率在 $10^{-6}$ 到 $10^{-7}$ 数量级，这与实验观察一致。

意义
本文证明了在小量子比特-谐振器失谐机制下，可以实现快速、高保真度和低泄漏的色散读取。通过结合较大的状态平均有效谐振器衰减率和针对每光子 SNR 优化的色散移位，作者展示了可以通过优化手段缓解小失谐带来的潜在缺陷（即密集的多光子共振）。结果表明，较大的谐振器衰减率能够实现快速的被动光子耗尽，从而允许在亚 100 ns 内恢复量子比特操作，而特定工作点下的弱共振耦合则防止了泄漏。这为超导量子处理器中无需高失谐机制或主动耗尽方案的高速读取提供了一条切实可行的路径。

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