量子比特非谐性

量子比特本应是一个两能级系统:只有 0 和 1 两个状态,在它们之间翻转。但超导芯片上的人造原子其实有一整列能级阶梯(0、1、2、3……),而你只想用最底下的两级。非谐性指的就是这道阶梯的台阶高低不一致。如果每一级所需的能量都相同,那么瞄准 0->1 的控制脉冲也会顺带推动 1->2,量子比特就会悄悄泄漏到无法用于计算的空间里去。

具体来说,非谐性就是 0->1 跃迁所需能量与 1->2 跃迁所需能量之间的差值。器件设计要让这两者落在明显不同的频率上。这样一来,调谐到 0->1 频率的控制脉冲基本不会扰动更高能级,因为它们根本不与之共振。这个差值越大,你就能越快、越干净地驱动量子比特,而不会把布居数溢出到第 2 级及以上。

这里有一个实实在在的取舍。流行的 transmon(传输子)设计被刻意做得很平坦(E_J >> E_C),好让它对电荷噪声不敏感,而这同一个选择也使非谐性变得很小,大约只有 -200 MHz。所以工程师不能一味地施加又短又猛的脉冲,而要小心地对脉冲整形,避开附近的 1->2 跃迁。fluxonium(磁通子)之类的设计追求大得多的非谐性来缓解这个问题,代价却是其他方面的复杂度。目前没有哪一种方案胜出。