美国研究者开发分析大型超导电路的新工具，有助于量子计算

量子计算机利用量子力学现象（如叠加和纠缠），可以比传统计算机更快地解决某些特定问题。量子计算机有望解决当今最强大的超级计算机无法解决的复杂问题。

推动量子计算机的开发需要新的研究工具。现在，西北大学的研究者已经开发并测试了一种用于分析大型超导电路的理论工具。

相关研究于当地时间9 月 13 日发表在学术期刊《物理评论研究》上，论文标题为《Variational tight-binding method for simulating large superconducting circuits》（模拟大型超导电路的变分紧束缚方法）。

超导电路使用超导量子比特（量子计算机的最小单元）来存储信息。提高超导量子比特的相干性和抗噪能力开发下一代纠错量子处理器路线图的关键要求。因此，超导电路中的固有噪声保护已成为研究的重要焦点。

防止有害噪声往往以增加电路复杂性为代价。对于像transmon这样的小电路来说，同时实现去极化和去相位保护是不可能的，而是需要具有两个或更多自由度的电路。目前，处理大型电路建模的工具很少，因此，西北大学的方法对研究界具有重要贡献。

“我们的框架受到最初为研究晶体中电子而开发的方法的启发，使我们能够对以前很难或不可能访问的电路进行定量预测。”该论文的通讯作者兼第一作者 Daniel Weiss 说。

Daniel Weiss是超导量子比特专家Jens Koch研究小组的四年级研究生。而Jens Koch 是超导量子材料与系统中心 (Superconducting Quantum Materials and Systems Center ，简称SQMS) 和量子优势联合设计中心 (Co-design Center for Quantum Advantage ，简称C2QA) 的成员。这两个中心都由美国能源部在2020年建立。 SQMS 专注于构建和部署基于超导技术的量子计算机。C2QA 正在构建创建可扩展、分布式和容错量子计算机系统所需的基本工具。

“研究人员发展了一种通用化的实现大型超导线路中谱分析的固态紧束缚技术。发现，紧束缚态相比于电荷基态，更适合用作低等激发的近似，镜像电流就是其中一个有趣的实例。利用紧束缚态可以有效地降低使得能谱收敛的过程中所需希尔伯特空间的维度，因而可以用来更精确地模拟超出基矢对角化地方法处理的更大规模线路。”一位国内量子计算研究者对澎湃新闻记者表示。此项研究中，他们通过从受保护的电路中提取使用标准技术无法获得的定量信息来说明他们的理论工具的使用。

研究人员专门研究了受保护的量子比特。经过设计，这些量子比特免受有害噪声的影响，而且能够产生比当前最先进的量子比特长得多的相干时间（保留量子信息的时间）。这些超导电路必然很大，西北大学的工具是量化这些电路行为的一种手段。

已经有一些工具可以分析大型超导电路，但它们只有在满足某些条件时才能很好地起作用。西北大学的方法是互补的，并且在这些其他工具可能给出次优结果时效果很好。

论文链接为：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.3.033244