不同的量子位架构可以更容易地制造量子计算机的构件，同时又不影响性能。

布鲁克海文国家实验室的科学家们正在通过开发一种更适合大规模生产的新型量子比特架构来革新量子计算。这种新颖的设计利用了与现有半导体制造工艺兼容的收缩结，可能会简化量子计算机的生产。

量子计算突破

来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们已经证明，一种架构更适合于大规模生产的量子比特，其性能可以与目前在该领域占主导地位的量子比特相媲美。科学家们通过一系列数学分析，为更简单的量子比特制造提供了一条路线图，该路线图能够实现这些量子计算机基本组成单元的稳健和可靠制造。

这项研究是量子优势协同设计中心（C2QA）的一部分，该中心是由布鲁克海文实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，研究建立在多年科学合作的基础上，旨在提高可扩展量子计算机的量子比特性能。最近，科学家们一直在努力延长量子比特保持量子信息的时间，这一特性被称为相干性，与量子比特结点的质量密切相关。

创新量子比特设计

他们特别关注超导量子比特，其架构包括两个由绝缘体隔开的超导层。量子比特的这部分被称为SIS结，即超导体-绝缘体-超导体。但可靠地制造这种三明治式的结并不容易，特别是在量子计算机大规模生产所需的精度方面。

“制造SIS结真是一门艺术，”这篇论文的合著者、最近发表在《物理评论A》杂志上的论文合著者以及布鲁克海文国家实验室美国能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心（CFN）主任查尔斯·布莱克说。

布莱克和CFN的高级科学家、论文第一作者刘明昭自2020年C2QA成立以来便参与其中。他们一直在帮助量子科学家了解量子比特的材料科学，以提高其相干性，同时他们也对这种量子比特构建技术的可扩展性及其与大规模量子计算机制造这一不可避免的需求之间的兼容性产生了浓厚兴趣。

过渡到收缩缝

因此，科学家们将注意力转向了由两层超导结组成的量子比特架构，这两层由一根细超导导线连接，而不是中间绝缘层。这种架构被称为收缩结，它是平铺的，而不是像三明治一样堆叠的。重要的是，制造收缩结的工艺与半导体制造设施中的标准方法兼容。

“在我们的工作中，我们研究了这一架构变化带来的影响，”布莱克说。“我们的目标是了解转向限制连接的性能权衡。”

重新审视量子比特中的电流流动

当两个超导体之间的连接点只传输少量电流时，最普遍的超导量子比特架构的效果最佳。尽管SIS三明治结构中的绝缘体几乎阻止了所有电流的传输，但它足够薄，可以通过一种称为量子隧穿的机制允许少量电流通过。

“SIS架构非常适合当今的超导量子比特，尽管它的制造很棘手，”布莱克表示。“但是，用本质上传导大量电流的收缩来替换SIS有点违反直觉。”

研究人员通过他们的分析表明，可以将流经收缩结的电流降低到超导量子比特的适当水平。但是，这种方法需要较少的传统超导金属。

刘解释道：“如果我们使用铝、钽或铌，那么收缩线将不得不做得不切实际地薄。‘其他导电性不那么好的超导体将允许我们以实际尺寸制造收缩结。’”

解决量子比特的非线性问题

然而，缝隙连接与SIS同类物表现不同。因此，科学家们还研究了这种结构变化所产生的后果。

为了工作，超导量子比特需要一些非线性，这限制了量子比特只能在两个能级之间运行。超导体本身并不表现出非线性行为，是量子比特结引入了这一关键特性。

超导收缩结（constriction junction）的线性度天生就高于久经考验的超导-绝缘体-超导（SIS）结，这意味着它们对量子比特架构来说不是最理想的选择。然而，科学家们发现，通过选择超导材料和合理设计结的尺寸和形状，可以调整收缩结的非线性度。

“我们对这项工作感到兴奋，因为它基于设备要求为材料科学家指明了具体目标，”刘解释说。例如，科学家们发现，对于在5到10千兆赫之间运行的量子比特（这是当今电子产品的典型情况），材料的导电能力（由其电阻决定）和结的非线性之间需要进行特定的权衡。

布莱克说：“某些材料特性的组合对在5千兆赫兹下运行的量子比特来说并不可行。”但是，如果采用符合布鲁克海文科学家所述标准的材料，那么具有约束结的量子比特就能像具有SIS结的量子比特一样运行。

可扩展量子计算机的潜力

刘和布莱克目前正与他们的C2QA同事合作，探索能够满足他们新论文中概述的规格的材料。特别是超导过渡金属硅化物，已经引起了他们的注意，因为这些材料已经在半导体制造中使用。

“在这项工作中，我们表明有可能缓解收缩结的令人担忧的特性，”刘说。“因此，现在我们可以开始利用更简单的量子比特制造过程的好处。”

这项工作体现了C2QA的基础协同设计原则，因为刘和布莱克探索了一种量子位架构，可以满足量子计算的需求，并与当前的电子制造能力保持一致。

“这些跨学科的合作将不断推动我们实现可扩展的量子计算机，”布莱克说。“人类能取得今天的量子计算机，这几乎令人难以置信。我们非常高兴能在帮助C2QA实现其目标方面发挥作用。”

参考文献：“超导体-收缩-超导体传输子量子比特的性能分析”，作者：刘铭钊和查尔斯·T·布莱克，2024年7月9日，《物理评论A》。DOI: 10.1103/PhysRevA.110.012427