量子计算机未来有望解决传统计算机难以应对的复杂问题，例如模拟分子间复杂交互以加速药物发现和材料开发。然而，要构建足够大且具韧性的超导量子计算机，科学家必须精确设计数千个量子电路，以尽可能低的错误率执行操作。为帮助科学家设计更可预测的电路，麻省理工学院（MIT）及林肯实验室的研究人员开发了一种技术，测量可能导致超导量子电路偏离预期行为的属性。他们的分析揭示了这些失真源头，即二阶谐波修正，导致电路架构表现不佳。MIT研究人员制作了一种设备，能够检测二阶谐波修正，识别其来源，并精确测量其强度。这种技术将帮助科学家有意设计能够抵消这些偏差影响的量子电路。这在更大且更复杂的量子电路中特别重要，因为二阶谐波修正的负面影响可能会被放大。研究小组的共同首席作者Max Hays表示：“随着我们量子计算机规模的扩大，想要更精确地控制这些设备的参数，识别和测量这些效应对我们理解系统构建至关重要。”
在利用超导电路的量子计算机中，约瑟夫森结是使信息转移和操控的关键元素。这些设备由两根超导线组成，彼此非常接近，中间有纳米级的屏障。与传统电路类似，约瑟夫森结中的电荷由电子携带。但在超导电路中，携带电荷的电子成对，形成所谓的库珀对。这些库珀对可以通过屏障“量子隧穿”，将电流从一根线传输到另一根线。库珀对通常只能一次隧穿一对，这是实现量子计算的关键属性。然而，有时库珀对会意外地以两对的方式穿过屏障，这种现象称为二阶谐波修正。这种效应限制了仅配置为允许单对隧穿的量子电路的性能。为了解决这一问题，研究人员首先需要了解这些失真的来源和强度。为此，MIT研究人员制作了一种量子电路，使其对这些效应非常敏感。该设备被设计为压制单个库珀对的量子隧穿过程，同时允许双对隧穿过程继续进行。通过这种方式，他们可以检测二阶谐波修正的存在，并精确测量其强度。
研究人员还可以利用该电路确定这些谐波的来源，帮助研究人员找到最佳的修正方法。二阶谐波有两个潜在来源——一个源自约瑟夫森结的内在动态，另一个则由连接结与其他电路元件的导线引起。虽然之前的研究表明，二阶谐波可能与结的动态有关，但MIT研究人员发现，电路中导线的附加电感——阻碍电流变化的趋势，才是他们设备中的实际来源。Hays表示：“这很重要，因为如果我们知道二阶谐波修正的来源，就可以预测它的强度，从而利用这些信息设计出更可预测的电路，以期获得更好的性能。”未来，研究人员希望设计实验，更准确地预测在二阶谐波修正发生时设备的表现。他们还希望研究其他可能影响电路的二阶谐波修正来源，并探讨这些来源在不同制造条件下是否会产生负面影响。这项工作得到了美国能源部、美国量子优势共同设计中心、美国空军、韩国高级研究基金会及MIT情报社区博士后研究奖学金项目的部分资助。
博主点评： 该研究为提高量子计算机电路的可靠性提供了重要的技术支持，特别是在面对日益复杂的量子系统时，能够有效识别并修正二阶谐波修正，显著提升了电路的整体性能。这不仅对量子计算机的发展具有深远影响，也为后续相关研究奠定了坚实基础。