近日，中國科大物理學院在可擴展超導量子計算研究中取得進展：郭國平教授、段鵬副研究員等針對大規模超導量子處理器中由頻率擁擠引發的旁觀比特泄露問題，提出了一種基于不變子空間工程(invariant subspace engineering)的動態哈密頓量調控方法，通過可調耦合器主動重構近共振條件下的系統動力學，實現對旁觀比特泄露的有效抑制。相關成果以“Spectator Leakage Suppression via Invariant Subspace Engineering for CZ Gates in Superconducting Quantum Circuits”為題，于9月4日發表在國際物理學期刊Physical Review Letters上。

　　隨著超導量子芯片規模不斷增大，芯片上的量子比特、耦合器及相關能級日益密集，頻率擁擠和頻率碰撞逐漸成為限制量子處理器擴展的重要問題。在執行CZ(受控Z門)等兩比特量子門時，參與門操作的量子比特可能與周圍不直接參與操作的旁觀比特(spectator qubit)進入近共振區域，從而產生非期望的相干交換，使量子態泄露到計算空間之外。傳統方法通常通過精細規劃量子比特頻率，盡量避開這些近共振條件；然而，隨著量子比特數量、連接度以及并行量子門數量持續增加，可用的頻率空間越來越擁擠，單純依賴頻率規避的策略將面臨越來越大的擴展困難。

　　針對這一問題，研究團隊提出了基于不變子空間工程的泄露抑制方法。在旁觀比特接近共振時，原本用于實現CZ門的二能級動力學會擴展為包含旁觀態的三能級相互作用。研究人員通過動態調節旁觀比特對應的可調耦合器，將相關量子態重新組織為“亮態”和“暗態”，并使暗態與門操作子空間解耦，從而將系統哈密頓量轉化為塊對角形式。這樣，CZ門的演化被限制在由計算態和亮態構成的二維不變子空間內，實現對目標泄露通道的內稟抑制。

　　研究團隊在本源“悟空”超導量子處理器上對該方案進行了實驗驗證。在單個旁觀比特近共振條件下，動態調控將單次CZ門的旁觀泄露率從1.215×10-3降低至4(3)×10-5，抑制約30倍。與此同時，CZ門誤差降低至與旁觀比特遠失諧時的基準門性能相當。進一步的誤差分析表明，觀測到的門誤差降低與泄露及其伴隨相干誤差的抑制相符，說明該方法能夠有針對性地消除旁觀泄露誤差，而不會引入明顯的額外誤差通道。

　　為驗證該方法的可擴展性，研究團隊進一步研究了多個旁觀比特同時進入近共振區域的情況。實驗表明，不同旁觀比特產生的泄露在所研究的參數范圍內近似獨立，可以通過分別調節對應的可調耦合器進行同步抑制。研究團隊還在多個不同5比特區域和多種旁觀比特配置下進行了統計測試，均獲得穩定、可重復的泄露抑制效果，驗證了該方案在不同器件參數和多旁觀比特場景下的可擴展性。

　　該研究從主動調控量子動力學的角度，為大規模超導量子處理器中的頻率碰撞問題提供了新的解決思路。通過不變子空間工程，可以在不必完全避開近共振條件的情況下抑制相關泄露，為緩解大規模、高連接度量子處理器中的頻率擁擠約束以及實現高保真量子門提供新的技術路徑。該思想還可推廣至更復雜的多能級量子系統。

　　中國科學技術大學博士研究生王鵬為論文第一作者，段鵬副研究員和郭國平教授為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。該工作的開展得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心的支持。

　　論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/zywf-twfv