良率、擴展與量產

頻率擁擠(頻率碰撞)

頻率擁擠,說的是當你試圖把太多量子位元塞進太窄的射頻頻譜時會發生的事。每個固定頻率的超導量子位元都有自己的一段微波音調,約幾吉赫茲,你用它來定址這個位元——這很像每家電台都需要在調頻旋鈕上佔一個自己的頻段,免得串進隔壁台。可是晶片上所有量子位元都得共用一段有限的頻帶,而這段頻帶在扣除硬體限制後往往只有幾百兆赫茲寬。塞進幾個量子位元時還有空間;塞進上千個時,它們被分配到的頻率就難免開始相互重疊。

所謂碰撞,就是兩個本該彼此分開的頻率最終靠得太近,而它有好幾種花樣。兩個相鄰量子位元可能共享幾乎相同的頻率,於是發給其中一個的脈衝也撩動了另一個。一個量子位元的頻率可能正好落在鄰居的頻率上,或落在某個雙量子位元閘所依賴的頻率間隔上。最棘手的是,量子位元並不是完美的二能階系統:它的 0 到 1 躍遷就挨著它的 1 到 2 躍遷,如果一個量子位元的 0 到 1 恰好對上另一個的 1 到 2,閘操作就會把佈居數洩漏到本不該被碰到的態上。每一處這樣的近重合,都表現為一次失準的閘,而在密集的晶片上,它們累加得很快。

這是橫在固定頻率方案擴展面前的真正高牆之一,而不是什麼細枝末節。由於接面從製造裡出來時頻率本就散亂,你沒法簡單地分配一張乾淨的音調網格再指望晶片乖乖照辦——你拿到什麼就是什麼,然後只能盼著碰撞的對數別太多。可調耦合器和磁通可調量子位元繞開了這個問題:它們讓你在製造之後還能移動頻率,代價是額外的佈線和新的雜訊通道。更準的接面頻率定標能縮小離散程度。兩者都沒讓擁擠消失;它仍是一道活生生的約束,決定著單顆晶片合理能做到多大。

usable_qubits ~ band_width / (3 to 4) * spacing_needed

粗略地說:在不發生碰撞的前提下,你能塞進的固定頻率量子位元數,大致等於可用頻帶寬度除以音調之間的最小安全間距——而由於好幾種碰撞類型各自都要留出餘量,你實際需要的間距是樸素值的好幾倍。

擁擠在一定程度上是自找的:正是那個讓 transmon 能當量子位元用的非簡諧性本身就很小,所以它的 1 到 2 躍遷緊挨著 0 到 1 躍遷,給碰撞多留了一條可鑽的縫。

又稱
frequency collisionsspectral crowding频率碰撞频谱拥挤頻率碰撞頻譜擁擠