近日，我校物理学院在可扩展超导量子计算研究中取得进展：郭国平教授、段鹏副研究员等针对超导量子芯片中短时波形畸变引发的速度—保真度权衡问题，提出参数空间扩展受控相位门（PSE-CZ）方案，在不延长门时间的前提下显著抑制相干误差。该成果为提升超导量子芯片的门操作性能、支撑更深量子线路和更大规模量子计算系统提供了新的技术路径。相关成果以“Overcoming the Speed-Fidelity Trade-Off in Fast cz Gates via Cyclic Control”为题，于8月3日发表在国际物理学期刊Physical Review Letters上。

高保真、快速的两比特量子门是实现大规模量子计算的关键基础。在超导量子芯片中，受控相位门（CZ 门）通常通过调节量子比特频率，使计算态11与非计算态20发生相互作用，并通过一次循环演化积累所需的条件相位。然而，随着量子线路深度不断增加，量子门既需要尽可能高的保真度，也需要尽可能短的操作时间。如何同时实现快速且高保真度的量子门，是当前超导量子计算中的重要问题。

图1（a）给出了这一循环演化的几何图像：只有演化轨迹精确闭合，量子门才能避免残余泄漏并获得准确相位。然而实际器件中的短时波形畸变，或由硬件采样率限制引起的时序失配，会破坏传统控制波形的对称性。研究团队通过理论分析证明，这种对称性破缺使传统 CZ 门需要同时满足更多物理约束，而可调控制自由度不足，从而形成过约束问题。现有常见的对称波形通常依赖更平滑或更长的脉冲来减弱畸变影响，但这会增加门长或缩短有效相互作用窗口，因此存在速度–保真度权衡。

图1.PSE-CZ 门的循环演化机制、脉冲设计及畸变鲁棒性模拟

针对这一问题，研究团队提出了参数空间扩展受控相位门方案（PSE-CZ）。如图1（b）所示，该方案在不延长脉冲时间的前提下，将脉冲中间区域的失谐量拆分为两个可独立调节的参数，从而引入额外控制自由度，使系统能够同时抑制泄漏误差和相位误差，恢复循环演化的精确闭合。

数值模拟进一步验证了这一物理图像。图1（c）显示，畸变的截止频率和幅度会显著影响传统 CZ 门的相干误差，而 PSE-CZ 对畸变表现出更强的鲁棒性。图1（d）则表明，在更短门长条件下，传统CZ 门更容易受到畸变影响，而PSE-CZ 能够在快速操作区域保持更稳定的性能。这说明 PSE 方法并非简单的经验补偿，而是从控制自由度与约束匹配的角度解决了这一物理问题。

为了直接观察两类相干误差的抑制效果，研究团队采用重复施加 CZ 门的误差放大方法，分别测量非计算态泄漏和条件相位的累积，如图2所示。传统 CZ 门中，泄漏与相位偏差会随门重复次数明显积累；PSE-CZ 则显著减弱这两类误差。拟合结果表明，单门泄漏由0.224%降至0.0756%，单门相位误差由约−0.173 rad 降至约−0.019 rad，抑制接近一个数量级。

图 2.传统 CZ 门与 PSE-CZ 的实验对比：（a）泄漏误差放大；（b）条件相位随重复门次数的演化；（c）提取的单门泄漏与相位误差

在上述误差诊断基础上，研究团队进一步在一台72比特超导量子处理器上选取20对两比特门，开展交叉熵基准测试。结果显示，相比传统 CZ 门，PSE-CZ 能够有效降低短时畸变引起的相干误差，使门性能更加接近退相干极限。在满足较强耦合条件的量子比特对上，团队还测试了30–40 ns 的更短门长，PSE-CZ 仍保持优于传统 CZ 门的性能。

该工作揭示了破坏波形对称性是引起快速超导两比特门中速度–保真度权衡的一个关键物理原因，并提出了通过扩展控制参数空间恢复循环演化可控性的解决方案。离子阱、固态自旋等平台中的几何量子门同样依赖循环演化或几何相位积累，因此这一思路有望为众多体系实现更快、更高保真的量子逻辑操作提供新的方法。

中国科学技术大学博士研究生赵泽安为论文第一作者，段鹏副研究员和郭国平教授为共同通讯作者。论文工作受中国自然科学基金委资助。该工作的开展得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/xd7q-2kf9

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）