基于次谐波驱动的超导量子比特快速控制新方法：突破量子门速度与相干性矛盾

《Nature Communications》：Fast superconducting qubit control with subharmonic drives

为解决超导量子比特控制中门速度与相干时间的矛盾问题，研究人员开展了次谐波驱动控制研究。通过在量子比特本征Kerr非线性处施加约三分之一谐振频率的驱动，实现了37.4 ns的单量子比特门，保真度达99.91%。该技术通过频率分离驱动与衰减过程，结合低通滤波保护，为大规模量子计算提供了低热耗散的快速控制方案。

　　

在量子计算的发展道路上，提高单量子比特门的保真度一直是核心挑战之一。传统方法通常面临一个两难困境：要提高门速度就需要增强驱动功率，但强驱动会导致量子比特环境加热，反而降低相干性。这种矛盾在超导量子比特系统中尤为突出，因为这类系统通常需要弱耦合驱动端口和重度衰减线路来抑制光子泄漏和热噪声。

随着量子比特相干时间的不断延长，研究人员倾向于使用更彻底的滤波措施来保护量子比特。然而，滤波器的插入损耗和弱耦合设计会导致在给定驱动强度下门时间变长。虽然可以通过增加驱动强度来补偿，但这又会加剧低温恒温器的加热问题。在迈向大规模量子计算机的道路上，这种加热问题变得尤为严重，可能超过稀释制冷机的冷却能力。

面对这些挑战，由Michael Hatridge领导的团队在《Nature Communications》上发表了一项创新研究，提出了一种名为"次谐波驱动"的全新控制方案。该方案巧妙地将驱动过程与量子比特衰减过程在频率空间上分离，通过参数驱动实现了快速且高保真度的单量子比特控制。

研究团队采用的关键技术方法包括：利用transmon量子比特的固有Kerr非线性，设计低通滤波保护系统，开发频率调制脉冲技术，以及通过随机基准测试进行门保真度校准。实验使用标准transmon量子比特系统，通过精心设计的微波控制线路和温度稳定系统，确保了实验数据的可靠性。

次谐波驱动理论

研究人员从transmon在非共振驱动下的位移哈密顿量出发，通过选择特定的四次项项q^?q^q^q^+h.c.，在接近量子比特跃迁频率三分之一处进行参数驱动。该过程会湮灭三个驱动光子并产生一个量子比特光子，形成有效的拉比驱动项。理论分析表明，次谐波驱动的拉比速率与驱动振幅的三次方成正比，而ac-Stark位移与驱动振幅的平方成正比。这种非线性关系使得门速度可以随着驱动功率的适度增加而迅速提升。

门调试与校准

实验团队首先通过扫描驱动频率和幅度，观察了量子比特在不同初始状态下的响应，确认了ge/3、ef/3和fh/3等多波混频过程。随后，他们开发了一套完整的门校准程序，解决了由驱动引起的频率偏移问题。通过引入频率调制脉冲和虚拟Z门技术，研究人员成功减少了向非计算态的泄漏。最终实现的单量子比特门包括37.4 ns的π/2门和50.9 ns的π门，通过随机基准测试验证了其高保真度。

降低加热潜力与快速次谐波门

理论研究还探讨了低频率损耗环境对量子比特相干性的影响，发现即使对于非常强的耦合，三光子衰减过程对量子比特寿命的限制也可以忽略不计。更重要的是，通过用反射性滤波器替代传统的衰减器，次谐波驱动方案有望显著降低低温恒温器基板阶段的功耗。分析表明，在50 MHz的拉比速率下，采用3 dB衰减和低通滤波的配置可比传统驱动配置降低约20 dB的热耗散。

研究结论强调，次谐波驱动作为一种新的单量子比特控制方案，不仅实现了快速高保真度的量子门操作，还通过频率域上的对称性破缺为解决量子计算中的热管理问题提供了新思路。该方法无需对现有transmon量子比特进行特殊优化即可实施，结合脉冲整形技术和进一步改进的量子比特相干时间，有望实现99.99%或更高的门保真度，为大规模量子计算机的发展奠定了重要基础。

这项研究的创新性在于它同时解决了量子门速度、保真度和系统热管理这三个关键挑战，为超导量子计算的实际应用提供了切实可行的技术路径。通过巧妙利用量子系统的内在非线性特性，研究人员展示了一条超越传统量子控制范式的新途径。