1. 超导Transmon Qutrits实现高效硬件擦除量子比特量子计算的核心挑战之一是如何有效抑制量子比特的退相干和操作噪声。传统量子纠错(QEC)方案虽然能够指数级压制错误但对物理量子比特的数量和质量要求极高。擦除量子比特(erasure qubit)作为一种新型编码方式通过将主导物理错误转化为可检测的擦除错误显著提高了容错阈值和资源效率。在超导量子电路中现有擦除量子比特主要采用双轨(dual-rail)编码方案需要两个物理量子比特存储一个逻辑比特并配备额外的耦合元件和辅助量子比特用于擦除检测硬件开销较大。我们提出并实验验证了一种基于Transmon三能级系统(Qutrit)的硬件高效擦除量子比特方案仅需单个Transmon即可实现擦除编码和检测功能。1.1 擦除量子比特的核心优势擦除量子比特的核心思想是将逻辑|0⟩和|1⟩编码在特定子空间中使得主导退相干错误表现为可检测的量子态泄漏(erasure)而非不可检测的泡利错误。这种编码方式具有两大关键优势更高的容错阈值量子纠错码对擦除错误的容忍率显著高于泡利错误。例如表面码对擦除错误的阈值可达约16%而传统泡利错误的阈值仅约1%。更优的资源缩放擦除信息允许采用更高效的解码算法在相同物理错误率下实现更低的逻辑错误率。1.2 Transmon Qutrit的擦除编码方案我们利用Transmon的三能级结构(|g⟩,|e⟩,|f⟩)将逻辑量子比特编码为|0ₗ⟩ ≡ |g⟩|1ₗ⟩ ≡ |f⟩这种编码被称为g-f擦除量子比特具有以下特性错误转化机制主导的弛豫错误表现为|f⟩→|e⟩的跃迁可通过辅助量子比特检测相位错误可通过动态解耦技术有效抑制硬件效率仅需单个Transmon即可存储逻辑量子比特与现有超导量子处理器架构完全兼容无需特殊的频率安排或耦合设计关键提示g-f编码的关键在于|e⟩态作为错误标志的可检测性。实验表明|f⟩→|e⟩的弛豫时间T₁^ef ≈ 26μs而|e⟩→|g⟩的弛豫时间T₁^ge ≈ 52μs形成了级联衰减路径。2. 微波激活的擦除检测方案2.1 擦除检测的核心挑战实现g-f擦除量子比特的关键在于高保真度的中途擦除检测(mid-circuit erasure detection)且需最小化对逻辑态的干扰。主要技术挑战包括直接色散读取的局限性传统Transmon的|e⟩态色散读取会严重退相干|g⟩-|f⟩叠加态由于Transmon的非谐性较弱(约180MHz)难以实现选择性读取辅助量子比特方案需要设计特定的双Qutrit门实现擦除信息交换必须避免对逻辑子空间的非必要耦合2.2 四波混频SWAP门设计我们采用微波激活的四波混频(FWM)过程实现数据量子比特与辅助量子比特之间的擦除SWAP门。具体工作原理能级设计操作点选择在|ee⟩-|0ₗf⟩避免交叉点附近驱动|eg⟩↔|0ₗf⟩跃迁实现擦除信息交换门操作特性门时间200ns高斯脉冲自动将数据量子比特重新初始化到编码空间对逻辑态(|g⟩,|f⟩)的干扰极小读取优化辅助谐振器读取频率设置在|f⟩态条件频率附近最小化读取光子对后续擦除检测的影响实验测得擦除检测的保真度指标假阳性率(无擦除误报)~2.4%(|0ₗ⟩)和~2.7%(|1ₗ⟩)假阴性率(擦除漏检)~6-8%读取引起的逻辑退相干可忽略2.3 与其他方案的对比表1比较了不同擦除量子比特实现方案的关键参数方案物理比特/逻辑比特擦除检测方式典型T₁(逻辑)系统复杂度双轨编码2光子数读取~300μs高通量量子比特1能级结构设计~400μs中本工作(g-f Transmon)1辅助Qutrit SWAP门~500μs低3. 逻辑量子比特的性能表征3.1 记忆寿命与动态解耦通过结合中途擦除检测和动态解耦技术我们实现了优异的逻辑量子比特性能XY4动态解耦序列交替施加Xπ和Yπ脉冲(80ns高斯DRAG脉冲)有效抑制低频噪声和脉冲误差测量周期3.52μs(含擦除检测)后选择结果比特翻转寿命(T₁)|Z⟩态549μs|-Z⟩态610μs相位翻转相干时间(T₂)|±X⟩态约300μs擦除寿命~45μs自旋锁定增强采用连续动态解耦进一步抑制高频退相噪声相干时间提升至350μs但Z基态比特翻转寿命降至~200μs(因ac Stark效应)实操经验擦除检测频率需平衡两个因素 - 足够频繁以防止泄漏错误渗透回计算空间同时留有足够时间让辅助谐振器光子衰减。我们选择3.52μs周期对应κ_r0.3MHz的谐振器衰减率。3.2 单量子比特门性能通过随机基准测试评估逻辑门性能门实现方式使用双光子跃迁驱动|0ₗ⟩↔|1ₗ⟩Clifford门分解为X/Y轴的π和π/2旋转平均每个Clifford门含1.875个物理门保真度结果原始Clifford门错误率5.3×10⁻³擦除检测后错误率7.6×10⁻⁴对应物理门错误率从2.8×10⁻³提升至4.1×10⁻⁴误差主要来源于|e⟩态泄漏(可通过擦除检测大幅抑制)脉冲畸变(使用DRAG技术优化)残余退相干噪声3.3 双量子比特纠缠生成为展示擦除量子比特在量子纠错中的应用潜力我们实现了两个g-f量子比特的辅助 heralded 纠缠辅助量子比特复用同一辅助量子比特既用于擦除检测又用于奇偶校验通过交叉共振(CR)CNOT门实现条件翻转贝尔态生成制备保真度0.85-0.93加入擦除检测后保真度保持0.90受限因素Q2的较短相干时间和辅助读取衰减率实验结果表明擦除检测过程不会显著降低逻辑纠缠质量验证了该方案在容错量子计算中的实用性。4. 技术实现细节与优化4.1 实验装置与参数实验使用MIT林肯实验室制备的6量子比特Xmon器件关键参数工作频率~5.2GHz(数据量子比特)~5.4GHz(辅助量子比特)耦合强度~12.5MHz读取谐振器频率~7.1-7.5GHzT₁时间30-80μs(物理量子比特)4.2 误差分析与抑制比特翻转误差来源级联衰减(|f⟩→|e⟩→|g⟩)~1.0×10⁻³擦除漏检~0.9×10⁻³动态解耦脉冲误差~0.9×10⁻³相位翻转误差抑制主要来自剩余退相噪声自旋锁定可进一步抑制高频噪声最佳纯退相时间T_φ≈410μs读取优化使用Purcell滤波器减少状态跃迁优化电路参数降低测量诱导退相干未来可采用参量放大器提升信噪比4.3 与表面码的兼容性g-f擦除量子比特可自然嵌入表面码架构硬件高效设计数据量子比特和测量量子比特均可采用g-f编码同一辅助量子比特可同时用于擦除检测和稳定子测量阈值优势理论分析表明可保持擦除错误的容错阈值优势相比传统表面码可实现更陡峭的逻辑错误率下降5. 应用前景与展望基于Transmon Qutrit的擦除量子比特方案具有显著的实用优势即插即用兼容性无需改变现有Transmon设计与制造工艺可直接应用于主流超导量子处理器扩展方向开发更高保真度的Qutrit-Qutrit门优化三态(|g⟩,|e⟩,|f⟩)读取和重置抑制向更高激发态的泄漏系统集成与表面码等纠错码的协同优化开发专用控制电子学和编译工具链在实际量子算法应用中擦除量子比特可大幅降低实现容错量子计算所需的物理资源为中等规模含噪声量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)设备向容错量子计算机的过渡提供可行路径。