基于Kerr-cat量子比特的振荡器量子控制实现：迈向容错量子纠错的新突破

为解决量子计算中因噪声导致的逻辑错误问题，耶鲁大学团队通过实验实现了Kerr-cat量子比特(KCQ)与高品质因数微波腔的相干参数驱动耦合。研究成功演示了条件位移(CD)门操作，并通过频率选择性耗散(FSD)技术消除KCQ热激发引起的腔退相干，实现了高达6000:1的控制开关比。该成果为GKP编码的容错纠错测量提供了关键技术支撑，发表于《自然·通讯》。

　　

量子计算正面临噪声问题的严峻挑战。在量子处理器中，环境干扰会导致逻辑错误，使得算法执行不可靠。虽然量子纠错(QEC)技术提供了解决方案，但传统方法需要数百个物理量子比特来编码一个逻辑量子比特，资源消耗巨大。基于谐振腔的玻色编码提供了一种硬件高效的替代方案，但现有实验多依赖transmon辅助比特进行误差检测，其比特翻转错误会传播到逻辑量子比特。Kerr-cat量子比特(KCQ)因其理论上指数级的噪声偏置特性，被认为是解决这一问题的理想辅助系统，但实现其与存储腔的相干耦合一直未能突破。

耶鲁大学的研究团队在《自然·通讯》发表了突破性成果。他们采用3D超导铝腔与钽基超导电路结合的实验平台，通过SNAIL(超导非线性不对称电感元件)实现参数化耦合。关键技术包括：条件位移门(CD)的相干操作、特征函数(CF)断层扫描技术、频率选择性耗散(FSD)冷却方法，以及7.02GHz高品质因数(>200μs)存储腔的制备。实验样本采用蓝宝石基底上的钽基超导电路，通过磁通偏置Φ_ext
=0.32Φ₀
优化SNAIL的非线性特性。

【Kerr-cat量子比特Bloch球与实验示意图】研究首先建立了KCQ的理论模型，其计算基由正交的偶/奇宇称猫态|C_α
^±
?构成。实验系统包含4.00GHz的SNAIL模式、7.02GHz存储腔和9.36GHz读出腔，通过三波混频实现参数驱动。

【腔态断层扫描】团队成功演示了CD(β)门操作，通过特征函数断层扫描验证了存储腔相干态的量子控制。在α=2条件下，测得CD速率g_CD
/2π=6.18MHz，保真度受限于SNAIL中的光子损耗。

【腔寿命测量】研究发现存储腔在KCQ存在时出现额外退相干(T₂
从381μs下降)。通过理论分析确认这是由KCQ热激发(2.8±0.5%)通过交叉克尔相互作用(χ_ab
/2π=2.91kHz)引起的。

【腔寿命与Kerr-cat共存】实验观察到退相干随α增加先加剧后改善的现象，验证了公式H_χ
/?≈-χ_ab
α²
b^?
b(1-2e^-2α2

σ_x
)的预测。通过FSD将12.5MHz能隙的激发态耗散到读出腔，成功将T₂
恢复到接近2T₁
的理论极限。

这项研究实现了三个关键突破：首次演示KCQ与存储腔的相干CD门操作；发现并解决了KCQ热激发引起的腔退相干问题；实现了>6000:1的控制开关比。这些进展为GKP编码的容错纠错铺平了道路，特别是通过CD门实现误差症状测量的方案。尽管KCQ加热机制仍需深入研究，但该工作建立的实验平台还可用于实现误差透明门和混合量子系统耦合。研究团队指出，进一步提高σ_x
(π/2)门的质量(目前T_K
=272ns)将是下一步的重点，这可能通过改进SNAIL相干性或替代旋转方案实现。这项工作标志着玻色编码量子计算向实用化迈出了关键一步。