用于量子计算的超导量子位

量子计算机可能能够解决经典计算机在实践中无法解决的计算问题[1,2]。这样的设备必须满足某些标准[3]，例如初始化其基本构建块的状态的能力 - Qubits - 具有高保真度。对给定保真度的复位复位10倍加速，并且使用用于超导Qubits的有源复位方法的最终状态准备保真度以及用于最终状态的10倍的提高。

该方法包括的一个单次测量的量子位的状态，接着一个条件单一量子位门控操作该旋转，如果它处于兴奋状态[4]已发现该量子位到地面的状态。该方法与用于状态初始化，被动等待量子位腐烂，定量活性方法的速度和保真度的优势简单的替代进行比较。速度是获得高实验重复率非常重要。

主动方法的速度通常受到可实现的反馈延迟的限制。被动方法的速度受到量子位生存期的限制，这使得它不切实际，因为在制造方面的进步会导致量子位生存期的不断提高。主动方法的保真度可以超过应用于被动方法的系统温度设定的极限。

在实施积极的量子位复位的主要问题是低延时的信号处理和条件产生信号的需要。苏黎世Instruments的UHFLI允许在一微秒由于它结合了快速数字锁相放大器，任意波形发生器的规模反馈，和交域触发发动机连接两个。所述UHFLI使可用活性量子位复位而不发展和维持一个定制的数字信号处理解决方案[4]的成本。

设置和样本

所使用的样品如图1 (a)所示:它由在蓝宝石衬底[5]上的铌和铝基谐振电路组成。插图中显示的量子位是由一个小型超导量子干涉装置(SQUID)组成的非线性谐振器，它充当非线性电感和片上电容(图中橙色)。SQUID设计通过在设备上施加一个小磁场，使量子位频率在4到7.5 GHz的频率范围内可调。

共面波导(绿色)将外部控制信号引导到量子位，量子位连接到频率为4.78 GHz的共面波导谐振器(蓝色)[6]上。这个读出谐振器通过片上Purcell滤波器连接到一对同轴电缆，这对同轴电缆提供了读出量子位的量子态的接口。图1 (b)描述了测量设置的示意图，其中样品被放置在稀释冰箱中，提供了一个隔离良好的低温环境来保护样品的量子特性。

图1所示。(a)样品的光学显微照片，显示读数谐振器(蓝色)和量子位电容板(橙色)。谐振器通过Purcell滤波器[7](青色)耦合到输入和输出线。插图显示了放大的视图的量子位和耦合器之间的谐振器和Purcell滤波器。(b)基于锁相放大器和AWG集成的UHFLI仪器的实验设置简化图。超导量子比特样本在稀释冰箱中冷却。

控制脉冲是利用两个AWG通道对微波信号进行正交调制而产生的。用于量子位读出的脉冲是通过将AWG标记通道中的一个馈送到微波频率信号发生器的门输入端而产生的。脉冲通过读出谐振器传输后，使用参数放大器和低噪声低温和室温放大器进行改进。

然后将信号在模拟域下转换为中频f_如果28.125 MHz。采用UHFLI锁定放大器通道之一，信号在数字域中进一步下降。然后利用UHF装置的UHF-DIG数字转换模块来数字化得到的相位和正交分量信号。

进行了[8]量子位Rabi振荡测量，允许识别用于激发和重置量子位的量子位π控制脉冲的最佳参数集。我们使用了一阶拖动脉冲形状，如参考文献[9]所述。

主动qubit重置

单发量子位测量

测量原始量子位状态标记活动QUBET复位周期的开头。通过用锁定放大器测量下转换的脉冲读出信号来获得QUBBit状态，并将所获取的正交电压与对量子位状态最敏感的更敏感到阈值。基于参数放大器的高性能放大链使得信噪比足够大以在单个镜头中区分Qubit状态而不平均在要获得的重复实验上。

实现单次读出的能力是有源量子位复位的必要条件。图2显示了在40000次重复的相同实验中测量到的信号正交的直方图。对于图2 (a)中的测量，在状态测量之前没有使用控制脉冲，因此预计量子位处于接近基态的热平衡状态(被动复位)。

在图2 (b)中，在状态测量之前立即应用了一个π脉冲，在这里识别出了两个与量子比特基态和第一激发态匹配的局部极大值，在图的下半部分有一个较弱的极大值，这可能是因为第二激发态的居群。状态测量的大部分对比度包含在同相(I)信号成分中。我们将状态判别的阈值设置为1mv(红色的垂线)。

图2。在重复单次脉冲状态测量中集成信号求积的直方图。(a)显示了测量量子位在其热平衡基态时的直方图，在进行单独测量之前，等待的时间比量子位的寿命长得多。(b)表示对量子位施加π脉冲后的测量直方图。(a)和(b)直方图中的两个最大值分别与量子比特的基态和激发态相对应。红色数字是由红线划定的区域中计数的相对分数，红线代表用于主动量子位重置的状态识别阈值。(b)中基态的分布主要是由于读数时的弛豫引起的。

用UHF-AWG实现反馈

所述UHFLI的内部跨域触发器被配置为执行所述量子位国家的歧视。以下这个判别的数字信号被用来定义分支，其中确定是否AWG将输出一个双通道π脉冲，或没有信号的UHF-AWG序列程序点的序列。所述LabOne AWG测序允许的相应的硬件指令在被称为SEQC易于阅读，高级语言的制剂。该方案的核心部分示于图3。

该计划的第一个指令启动波形w_read的播放。该波形具有被采用作为栅极信号，以产生读出脉冲微波的数字标记。继播放，音序指示，直到跨域触发发动机进行状态判别操作和读出信号获得WAIT_TIME期间等待。判别的二进制结果随后由定序读出并存储在运行时间变量qb_state。

随后的开关语句包含两个分支，其中之一是有条件地执行上qb_state（0或1）的值。一个分支链接到波形的双通道重放和w_pi_1 w_pi_2（该量子位π脉冲），而另一个与零值波形w_zero_1和w_zero_2相同长度的的播放。在程序的这一部分的波形在相同的程序中定义的（未示出），使用由编译器进行评估的数学函数。

图3。序列程序的核心部分用SeqC语言控制动作的条件反馈。

重复激活量子位重置

量子比特重置的效率可以通过重复上面描述的反馈周期来提高，允许实现亚百分比级的激发态总体——比使用单个反馈周期可能实现的效果更好。循环的重复是通过循环上面显示的代码段来完成的。

图4中的蓝色曲线说明了在一个由23个反馈周期重复组成的量子位重置协议期间量子位状态的发展。蓝色的方块是处于兴奋状态的群体，平均超过40000次的重复实验。为了将衰减曲线与没有有源复位的情况下观察到的衰减曲线进行比较，我们完成了一个控制实验，在这个实验中，量子比特的状态被重复读出，与启用有源复位的方式相同，但没有对量子比特施加π脉冲。没有反馈但有重复测量的衰减曲线与用常规T测量的衰减曲线相同₁测量，例如[8]中描述的测量。

经过第一个反馈周期或1.48 μ s后，量子比特激发态居数降至约12%。采用被动方法，达到这一水平需要大约14µs。经过四到五次重复后，最初的快速衰减逐渐减缓，但激发态种群继续减少。经过23次反馈重复后，其下降到0.3%以下，而在被动方法中，经过很长时间的等待后，剩余占用收敛到3%，参见图2 (a)中的测量。

图4。分别在有源和无源量子位重置时平均量子位激发态占用的时间演化。在协议开始之前，通过应用π脉冲初始化量子位。每1.48微秒进行一次状态测量。每次测量后，一个条件π脉冲被应用于主动复位，或无脉冲被应用于被动复位。

反馈延迟

反馈延迟对于推断有源量子位复位的保真度至关重要。一个小的延迟减少了在每个反馈周期发生错误的主要原因，自发量子位衰减发生在读出和π脉冲之间。根据量子比特的寿命T计算，这种机制产生了约19%的误差₁7.1微秒和周期一个完整的反馈周期的1.48微秒。另外，一个小的延迟表明更多复位循环可以在相同的时间量来完成。在下文中，在用于实验的配置的反馈延迟的测量上面讨论的讨论。

图5显示了用于这些测量的设置。与图1中的设置相比，线路被改变，以便量子位控制信号和读数返回信号被重定向到示波器。因此，UHFLI不会接收到读数信号，而UHF-AWG产生的控制信号也不会到达量子位。由于UHFLI仪器中的信号处理延迟不受这些变化的影响，然而，该设置允许观察与实际测量相同的延迟，参考UHFLI信号输入和输出连接器的平面。

图5。用于测量活动量子位重置的反馈延迟的设置。量子位控制信号和量子位读出信号用从UHFLI到示波器的等长电缆布线。由UHF-AWG标记通道1产生的门信号通过t形片连接示波器用于触发。UHFAWG定序器执行与实验相同的程序，使得本次测量的时序与实际实验的时序相等。

图6显示了在配置中测量的Qubit读数和控制信号。在中间频率的读出信号（顶部）在多个范围采集上平均，以便尽管噪音清晰可见。从读出信号开始到由AWG产生的量子位控制脉冲的开始，测量1.12μs的等待时间。部分此时间是0.37μs的信号积分时间，允许获得单拍读数的足够高的SNR。其余的，约0.75μs来自其他信号处理，例如A / D和D / A转换或解调，并表示通过UHF仪器可实现的最小延迟。

图6。测量UHF仪器的反馈延迟参照其前面板连接器。双通道AWG信号在读出脉冲开始后1.12 μs开始。输入信号被平均，以便使用示波器识别读出脉冲的开始。

结论

所示的测量量化有源量子位复位方法的优点，并确定其容易与实施UHFLI锁相放大器和UHF-AWG任意波形发生器。十倍加速在复位对于给定的保真度和最终状态制备保真度十倍的改进达到比被动复位方法。

这些结果建立在强大的，低延迟的数字信号处理工具上苏黎世仪器UHF仪器。柔性延伸到多量子位测量和控制系统是由可能性促进在与UHF-MF选项多个频率，以实现解调。多AWG序列分行还支持更复杂的反馈协议，例如考虑到检测高激发态。

致谢

苏黎世文书要感谢Wallraff教授和他的瑞士·苏黎世的Quantum Device Lab成员，其中进行了这些测量。特别谢谢去米歇尔科索达。我们感谢Theodore Walter为Qubit样品和YvesSalathé，Simone Gasparinetti以及Philipp Kurpiers提供的Qubit样品和YvesSalathé，以支持测量和讨论。这项工作得到了瑞士联邦经济事务，教育和研究的支持，通过履行技术和创新（CTI）。

参考文献

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这些信息已经从苏黎世仪器提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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