超导量子计算耦合腔（耦合腔量子比特连接 *** ）

八三百科科技视界 2025-09-29 04:45:01 5

耦合腔量子比特连接 ***

可以看成“量子桥梁”，把两个或多个比特用谐振腔连在一起，形成稳定且可调的长程相互作用。

到底什么是耦合腔？

小白常常把“腔”想成普通盒子，其实在芯片里它只是一段微米级超导谐振线。当微波光子被困在这段线里来回反射，就形成了一个高品质微波腔。再把两个量子比特分别“挂”在这个腔的两端，它们就通过交换光子的方式“交谈”，这就是耦合腔。用一句《红楼梦》里的话形容：“一个是水中月，一个是镜中花”，光子就是那个能把镜像和真月连起来的水波。

（图片来源 *** ，侵删）

为什么要用耦合腔连接比特？

降低串扰：直接电容耦合会让比特间噪声一并放大，腔把噪音滤掉。
远距离通信：片上空间寸土寸金，腔可把比特拉到相隔数百微米仍保持稳定耦合。
灵活调谐：通过改变腔频率或比特频率，就能像调音叉一样切换“开”“关”。

IBM在2023年发表于《PR Applied》的实验显示，使用三维铝腔后，双比特门保真度从99.2%跃升到99.7%，这就是硬指标。

腔与比特的三种连接方式

1. 电容耦合式
最像邻里间的“短篱笆”，直接把比特的电极延伸成一个小指状结构，与腔金属靠近。优点是制造简单，缺点是耦合强度固定。

2. 共面波导式
把谐振器做成长条波导，量子比特躺在旁边的“小岛”上，通过一条窄缝电容“打招呼”。这种方式可在一张硅片上完成，被Google Sycamore沿用至今。

（图片来源 *** ，侵删）

3. 三维腔插卡式
把整个芯片垂直塞进一个铝盒，芯片上的“天线”伸到盒子里。三维腔品质因子动辄上百万，耶鲁大学Michel Devoret组最早验证，被誉为“腔量子电动力学”的金标准。

初学者最容易撞到的坑

问：我能在普通PCB上复制一个耦合腔吗？
答：不行。室温下的PCB损耗太大，量子比特只活几十纳秒，而超导铝/铌腔能把光子寿命拉到毫秒，相差六个数量级。
问：频率到底怎么选？
答：比特频率≈5 GHz，腔频率略偏离几百MHz，避免“共振海啸”。Google公开的5.1 GHz/4.8 GHz就是常见搭档。
记住一条小口诀：“比特跑得快，腔要慢半拍”。

动手前的三件小事

（图片来源 *** ，侵删）

要素	建议值	小tips
腔品质因子Q	> 10⁵	表面湿法抛光后阳极氧化
耦合电容C_c	1 ~ 10 fF	用有限元软件COMSOL先模拟
芯片温度	≤ 20 mK	牛津Triton稀释冰箱一步到位

引用麻省理工学院William Oliver的提醒：“别让任何一条线成为天线的延长杆，电磁泄漏是把好量子门变成坏数据的之一只黑手。”

给之一次写测试代码的人

from qick import AveragerProgram
class CavitySwap(AveragerProgram):
    def initialize(self):
        self.declare_gen(ch=0, nqz=1)  # 量子比特驱动
        self.declare_gen(ch=1, nqz=1)  # 腔读出
        pulse_length = self.soc.us2cycles(0.5)  # 500 ns比特-腔交换

运行后如果看到Rabi劈裂的双峰，恭喜你：耦合强度已可拟合，下一步就能跑一个iSWAP门。