原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 6 January 2022; 

online 10 February 2022

提出了一种结合量子耦合器设计的全微波控制CZ门方案。在Transmon超导量子比特中，实现了目前量子门时间最短的基于微波脉冲控制的标准两比特纠缠门。

图1 利用施加在量子耦合器上的微波脉冲实现CZ门的原理示意图与理论仿真结果。(a) 两个比特具备相互作用能级的示意图。实验中利用|11⟩和|20⟩的相互作用实现CZ门，|11⟩和|02⟩、|10⟩和|01⟩需要避免它们之间的相互作用引起的误差。(b) 施加在量子耦合器上的磁通微波脉冲（红），以及磁通微波脉冲引入的等效耦合强度变化（黑）。(c) 磁通微波脉冲、等效耦合强度变化的频率分量。(d) 设置不同的比特间频率差，通过仿真实现的理论CZ门保真度上限。在规避引入误差的相互作用的同时，理论保真度上限可达99.99%以上。

高精度量子门是数字量子计算的基本操作单元，也是衡量量子芯片性能的核心指标。改进量子比特的设计参数，创新标准两比特纠缠门（CZ门或CNOT门）的操控方案，从而提高两比特纠缠门的保真度和可拓展性，是近年来超导量子计算的重要研究领域。经过科研人员的多年努力，目前已发展出绝热CZ门、非绝热CZ门、交叉共振CNOT门、参量调制CZ门等多种实现标准两比特纠缠门的方法。Transmon量子比特中的CZ门是基于|11⟩和|20⟩相互作用实现的，高保真度量子门的实现需要结合量子比特和量子耦合器设计，并通过优化控制波形来降低CZ门的错误率。

最近，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波和彭承志带领的科研团队，结合量子比特设计，增大了量子耦合器可实现的双向耦合强度，缩短了基于全微波脉冲的双比特纠缠门时间，在100纳秒的时间内，基于参量调制原理，实现了保真度为99.38%的CZ门。在同类型量子比特中，这一结果刷新了基于微波方案实现CZ门或CNOT的最短时间记录。该团队分析了这一CZ门方案在实际应用中不同微波脉冲包络对CZ门保真度的影响、潜在的频率冲突及每个频率冲突影响范围，并设计了一套实验可行的微波脉冲波形参数化方案，满足快速提升CZ门保真度的实验需求。

该工作提出了一种快速全微波控制的CZ门方案。这一方案无需调节比特的频率，可以避免量子比特在频率调节过程中量子耦合器不能有效关断的问题。同时微波脉冲具有受残余波形影响小（不需要波形失真矫正）、可实现频分复用等特点，很好地满足了超导量子芯片实现并行高保真度双比特门的拓展性需求。