Parametric two-qubit gates via Landau-Zener interference
本文提出并实验验证了一种基于 Landau-Zener 干涉的快速、可调双比特门，该门可在模块化芯片组和单体超导量子比特架构上运行，为超导量子处理器提供了一种用于控制复用和互连的独特解决方案。
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为了建造一台能够解决当今任何机器都无法处理的问题的计算机，科学家们正转向量子力学的奇特规则。他们试图利用类似于原子、能够同时处于多种可能性状态的信息载体——微型电路来构建处理器。这些被称为超导量子比特（superconducting qubits）的电路是构建此类机器的主要候选方案。然而，为了让这些计算机发挥作用，单个量子比特必须能够相互“交谈”，通过交换信息来进行计算。这种对话是通过双量子比特门（two-qubit gate）实现的，这是一种将两个量子比特连接在一起、使其进行交互片刻，然后又将其释放的机制。挑战在于，这些相互作用必须极其快速且精确，同时又不能在不需要时发生，否则脆弱的量子信息将会因周围的噪声而丢失。多年来，管理这一过程的标准方法是使用一个由微波控制开关的固定被动链路，或者通过缓慢改变量子比特的能量。虽然这些方法行之有效，但往往难以兼顾速度，或者需要复杂的、僵化的控制方案，从而限制了单个处理器中可连接的量子比特数量。
一组研究人员现在展示了一种让这些量子比特进行交谈的新方法，这种方法比以往的方法更快、更灵活。他们构建了一个由三个量子比特排列成线的系统：两端是存储数据的量子比特，中间是一个充当桥梁的量子比特。他们不是使用微波来触发连接，而是有节奏地推动中间的量子比特在能量上前后摆动，迫使其反复与两个数据量子比特相遇。当中间的量子比特扫过其他量子比特时，它会产生一种量子干涉模式，就像光波在相遇时可以相互抵消或增强一样。通过仔细控制这些相遇的时机，研究人员发现他们可以迫使信息从一端量子比特跳跃到另一端，并让中间的桥梁保持初始状态不变。这一过程依赖于一种被称为兰道-齐纳跃迁（Landau-Zener transitions）的现象，它使他们能够在从极慢到每秒数亿次的广泛频率范围内，调节相互作用的速度和时机。
研究人员在两种不同的超导硬件上测试了这个想法。第一种是模块化设计，其中量子比特构建在不同的芯片上并相互连接；第二种是所有组件都在一个表面上的单一固体材料。在这两种情况下，他们都成功地将量子信息从一个数据量子比特移动到了另一个。当他们将系统调整到正确的节奏时，数据量子比特完全交换了状态，而中间的桥梁则返回到其原始状态，有效地充当了一个完美的信使。团队展示了他们可以通过仅仅调整对中间量子比特的“推动”强度和时机，就能在几乎任何选定的频率下完成这种交换。这种灵活性与旧方法有着显著不同，旧方法通常被锁定在狭窄的频率范围内。在实验中，研究人员仅用几百纳秒就完成了这些交换，这一速度已接近由量子比特间连接强度所设定的理论极限。
这项工作最引人注目的方面之一是，数据量子比特本身完全不需要受到控制信号的触碰。它们可以安静地停留在最稳定的位置，远离电噪声，而中间的量子比特则承担起传递信息的全部工作。这是扩展量子计算机规模的一个关键优势，因为这意味着脆弱的数据量子比特不需要不断受到可能扰乱其状态的控制脉冲的轰击。研究人员还发现，通过在过程中途停止，他们可以创造出纠缠对（entangled pairs），这是一种特殊的量子态，即两个粒子以一种超越经典物理的方式联系在一起。这种能力表明，该方法不仅可以用于交换信息，还可以用于生成高级计算所需的复杂量子态。
团队测量了这些交换的准确性，发现它们非常可靠，在最快速的测试中，信息传输正确的概率约为98%。他们指出，这个数字目前受限于量子比特在自然环境噪声导致其失去相干性之前能保持状态的时长。然而，他们的模拟表明，如果硬件得到改进以延长状态保持时间，准确率可以上升到接近99.9%。这种性能水平，结合能够随时调节门速度和频率的能力，为未来连接大规模量子处理器的路径提供了广阔前景。通过证明这种基于干涉的方法在两种截然不同的硬件平台上均行之有效，研究人员表明，它是下一代量子计算的一种稳健且多功能的工具。
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