频率拥挤(频率碰撞)
频率拥挤,说的是当你试图把太多量子比特塞进太窄的射频频谱时会发生的事。每个固定频率的超导量子比特都有自己的一段微波音调,约几吉赫兹,你用它来寻址这个比特——这很像每家电台都需要在调频旋钮上占一个自己的频段,免得串进隔壁台。可是芯片上所有量子比特都得共用一段有限的频带,而这段频带在扣除硬件限制后往往只有几百兆赫兹宽。塞进几个量子比特时还有空间;塞进上千个时,它们被分配到的频率就难免开始相互重叠。
所谓碰撞,就是两个本该彼此分开的频率最终靠得太近,而它有好几种花样。两个相邻量子比特可能共享几乎相同的频率,于是发给其中一个的脉冲也撩动了另一个。一个量子比特的频率可能正好落在邻居的频率上,或落在某个双量子比特门所依赖的频率间隔上。最棘手的是,量子比特并不是完美的二能级系统:它的 0 到 1 跃迁就挨着它的 1 到 2 跃迁,如果一个量子比特的 0 到 1 恰好对上另一个的 1 到 2,门操作就会把布居数泄漏到本不该被碰到的态上。每一处这样的近重合,都表现为一次失准的门,而在密集的芯片上,它们累加得很快。
这是横在固定频率方案扩展面前的真正高墙之一,而不是什么细枝末节。由于结从制造里出来时频率本就散乱,你没法简单地分配一张干净的音调网格再指望芯片乖乖照办——你拿到什么就是什么,然后只能盼着碰撞的对数别太多。可调耦合器和磁通可调量子比特绕开了这个问题:它们让你在制造之后还能移动频率,代价是额外的布线和新的噪声通道。更准的结频率定标能缩小离散程度。两者都没让拥挤消失;它仍是一道活生生的约束,决定着单颗芯片合理能做到多大。
粗略地说:在不发生碰撞的前提下,你能塞进的固定频率量子比特数,大致等于可用频带宽度除以音调之间的最小安全间距——而由于好几种碰撞类型各自都要留出余量,你实际需要的间距是朴素值的好几倍。
拥挤在一定程度上是自找的:正是那个让 transmon 能当量子比特用的非简谐性本身就很小,所以它的 1 到 2 跃迁紧挨着 0 到 1 跃迁,给碰撞多留了一条可钻的缝。