量子位元非諧性

量子位元本應是一個兩能階系統:只有 0 和 1 兩個狀態,在它們之間翻轉。但超導晶片上的人造原子其實有一整列能階階梯(0、1、2、3……),而你只想用最底下的兩階。非諧性指的就是這道階梯的台階高低不一致。如果每一階所需的能量都相同,那麼瞄準 0->1 的控制脈衝也會順帶推動 1->2,量子位元就會悄悄洩漏到無法用於計算的空間裡去。

具體來說,非諧性就是 0->1 躍遷所需能量與 1->2 躍遷所需能量之間的差值。元件設計要讓這兩者落在明顯不同的頻率上。這樣一來,調諧到 0->1 頻率的控制脈衝基本不會擾動更高能階,因為它們根本不與之共振。這個差值越大,你就能越快、越乾淨地驅動量子位元,而不會把佈居數溢出到第 2 階及以上。

這裡有一個實實在在的取捨。流行的 transmon(傳輸子)設計被刻意做得很平坦(E_J >> E_C),好讓它對電荷雜訊不敏感,而這同一個選擇也使非諧性變得很小,大約只有 -200 MHz。所以工程師不能一味地施加又短又猛的脈衝,而要小心地對脈衝整形,避開附近的 1->2 躍遷。fluxonium(磁通子)之類的設計追求大得多的非諧性來緩解這個問題,代價卻是其他方面的複雜度。目前沒有哪一種方案勝出。