超导玻色量子比特

将量子信息编码到非经典状态的谐振子（玻色模式）中，是实现量子计算机的最初概念方案之一。在过去十年中，在含有约瑟夫森结的超导微波电路中已经可靠地实现了量子控制和玻色自由度测量。超导玻色量子比特是在高效的硬件架构中实现可纠错量子逻辑内存的领先平台，它为超导量子技术开辟了一个高度创新的子领域。

与其他容错量子处理器的架构相比，比如基于二能级系统（物理量子比特）的平面集成来实现量子信息拓扑保护的架构（如表面码），超导玻色量子比特展现出了一系列主要优势：

• 玻色模式为量子信息的冗余编码提供了更多能级，而无需引入额外的硬件元件和噪声/退相干通道
• 与非线性约瑟夫森结元件相比，线性谐振腔通常具有更长的固有物理寿命
• 玻色量子比特中的损耗以光子损耗为主，这可以通过各种量子纠错协议来检测和补偿
• 除了基于测量的量子纠错方案以外，通过在驱动－耗散的开放量子系统中的哈密顿量设计，超导玻色量子比特还可以兼容自主（无反馈）量子态稳定化

超导玻色量子比特的主要挑战包括：设计和实现更稳健、更高效的量子纠错码，提升单双逻辑量子比特门保真度，以及改善逻辑量子模块的连通性和可扩展性。

超导玻色量子比特通常基于低损耗的线性微波谐振腔作为玻色量子比特。该谐振腔与一个或多个非线性超导约瑟夫森电路元件耦合，以形成辅助模式，从而能够进行线性量子内存的控制和测量。

玻色量子比特的候选方案包括超导微波电磁谐振器，以及微机械振荡器和集体自旋激发模式。辅助模式可由超导量子比特（如 transmon、fluxonium 等）或其他量子极限的约瑟夫森参量器件提供。辅助量子比特具有独立的控制和测量电路，包括一个微波读取谐振腔。

苏黎世仪器的 SHFQC 量子测控一体机将一个量子比特读取通道与多达 6 个微波控制通道相结合，从而为众多玻色子量子比特实验提供独立的解决方案。如果实验额外需要高频磁通量控制，或者需要更多微波通道，可将 SHFQC 集成到量子计算测控系统 (QCCS) 中，以提供自动定时同步和系统级反馈。通过 LabOne Q 软件可控制各种规模的实验系统，以提供硬件抽象、实验控制框架以及更高层次软件层接口。苏黎世仪器的解决方案提供了对玻色量子比特实验尤为有用的工具，体现在以下实验方面：

系统表征与校准

• 对微波谐振腔和辅助量子比特进行快速、平行的频谱及相干时间测量
• 利用 SHFQC 的专用信号处理链路以及 SHFPPC  参量放大泵浦控制器操作量子极限参量放大器的能力，实现高保真辅助量子比特读取
• 利用 HDAWG 对磁通可调的辅助量子比特或约瑟夫森参量器件进行快速、精确的磁通量控制
• 利用量子控制软件框架 LabOne Q 实施高效系统校准并实现自动化
• 覆盖直流到 8.5 GHz的高纯度控制信号，并可利用外部微波混频器直接扩展至更高频率

量子内存状态准备、控制和层析扫描

• 玻色量子内存和辅助量子比特在微波频率下的高密度任意波信号合成：
  • 通过双超外差变频技术实现卓越的无杂散动态范围 (SFDR)
  • 不受温度影响的稳定微波模拟前端，无需 IQ 混频器校准
  • 可节省内存的波形编程和上传
• 利用 SHFQC 的低延迟内部反馈或通过 QHub 实现的全局反馈，实现基于测量的量子态准备和稳定化
• 在任意频率下的多输出和输入通道之间保持稳定初始相位差，实现非线性量子器件的相位相参微波驱动和参量测量

基于测量的量子纠错

• 利用微波脉冲将错误征状运算符映射到辅助量子比特态，然后再对辅助量子比特进行高保真单发读取，由此对玻色量子内存进行投影错误征状测量<
• 利用 SHFQC 的低延迟内部反馈或者通过 PQSC 或 QHub 实现的全局反馈，实现实时自适应微波控制脉冲生成（参见量子反馈测量）<

远程量子纠缠与通信

• 利用 SHFQC 产生的微波脉冲，在玻色内存的驻波微波光子与通信通道的飞行光子之间实现量子态转移<
• 在可扩展架构中对由 QHub 同步的多个玻色量子模块执行控制和测量操作

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• Fast spectroscopy
• Single- and two-qubit gate tuneup
• Randomized benchmarking
• Active qubit reset

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