超導 Fluxonium 量子比特

應用說明 (Application Description)

超導 Fluxonium 量子比特是構建實用量子電腦的主要方法之一。自從 2009 年首次實現以來，Fluxonium 量子比特的研究在提升 量子比特相干時間、控制效率與耦合架構方面取得了長足進展。隨著越來越多的學術研究團隊投入研究，Atlantic Quantum 成為第一家專注於此技術的產業新創公司，因為 Fluxonium 展現出在實現 高保真度量子比特操作上的巨大潛力。

與目前更廣泛使用的 Transmon 設計相似，Fluxonium 利用 **Josephson 接面（Josephson junction）**的非線性（anharmonicity）來構建可單獨尋址的超導電路量子態，並透過 **旁路元件（shunting element）**降低對環境電荷雜訊的敏感度。

Fluxonium 相較於 Transmon 的主要優勢是：可以獨立優化兩個重要特性：

• 高非線性（large anharmonicity） → 提供快速的狀態控制
• 高抗雜訊能力（large noise insensitivity） → 延長相干時間

這一點是透過使用 **超電感（superinductor）**作為旁路元件，而非傳統的電容器來實現的。超電感通常是由 大型 Josephson 接面串聯形成的。

當前研究焦點：

• 優化製程與設計，以獲得 更高良率與更低內部損耗
• 兩量子比特閘（two-qubit gate）技術
• 可擴展架構（scalable architectures）

量測策略 ：

Fluxonium 電路與 Transmon 量子比特在控制與量測上的需求大多相似，但存在以下差異：

• 能階結構可調性：Fluxonium 的人工原子能階結構會依賴 **直流磁通偏壓（DC flux bias）**而改變。
• 計算基態頻率分離：Fluxonium 的基態頻率差距通常落在 10 MHz ~ 750 MHz，遠低於 Transmon 量子比特的典型頻率（3 GHz ~ 6 GHz）。
• 高度非線性能階：Fluxonium 的高能激發態與計算基態的頻率差距可達 數 GHz，而 Transmon 則是近似弱非線性的量子振盪器。
• 耦合方式更靈活：Fluxonium 可以透過 **電荷（electric charge）或磁通（magnetic flux）**與控制及讀出電路耦合。
• 基於量測的重置需求：由於 Fluxonium 的低量子比特轉換頻率，為了清除熱激發態的佔據，需要透過量測為基礎的重置（measurement-based reset）。

Fluxonium 實驗配置

Zurich Instruments QCCS（Quantum Computing Control System） 是當前 Fluxonium 量子處理器控制的先進解決方案，提供靈活且可擴展的系統，滿足 量子比特控制、讀出與反饋等各種需求。
整個實驗配置由 LabOne Q 軟體統一控制，該軟體提供 硬體抽象層、實驗控制框架以及高階軟體介面。

主要實驗方法
1. 量子比特控制與讀出

• Fluxonium 量子比特與微波讀出諧振腔的高速並行光譜與相干時間量測
• 使用 HDAWG Arbitrary Waveform Generator 進行 <750 MHz 的直接數位合成控制
• 透過 SHFQC+ 實現至 8.5 GHz 的高階激發態轉換，並可使用外部微波混頻器擴展更高頻率
• 使用 SHFPPC Parametric Pump Controller 搭配 SHFQC+ 控制 低溫量子極限微波參數放大器
• HDAWG 提供高速、精確的磁通控制
• 透過 LabOne Q 軟體框架進行高效率的系統校準

2. 高保真度雙量子比特閘

• SHFQC+ 生成的微波脈衝序列用於控制 電容性、電感性或量子比特基底的耦合元件
• SHFQC+ 提供最高的輸出信號雜訊比（SNR），實現最佳糾纏閘門保真度
• 透過 PQSC 或 QHub 同步多台儀器，支援可擴展的 Fluxonium 量子處理器

3. 基於量測的量子比特重置

• SHFQC+ 內部提供低延遲反饋，根據讀出結果即時生成自適應微波控制脈衝
• PQSC 提供全局低延遲反饋，協同 SHFQC+ 與 HDAWG 實現基於量測的控制序列生成
• 採用 星狀網路架構（star network architecture），由 PQSC/QHub 中央同步，構建可擴展的量子反饋系統
• 編程資源 (Programming Resources)

LabOne Q 控制軟體框架內建大量超導量子比特量測方法範例，包含：

• 快速諧振腔或量子比特光譜分析
• 單量子比特與雙量子比特閘門調適
• 隨機化基準測試（randomized benchmarking）
• 主動量子比特重置（active qubit reset）

LabOne Q Applications Library 讓您能快速展開量子比特實驗，並專注於您最感興趣的物理現象與實驗結果。
透過此框架，您可以獲得以量子裝置及其操作為核心來描述量測的工具。Applications Library 涵蓋量測調適（tune-up）工作流程的所有部分，包括：實驗定義、量測、分析與繪圖，以及物理參數更新。

選擇 Zurich Instruments 的優勢

• 透過 HDAWG 提供卓越的類比訊號特性：低噪聲底線、低串擾、高解析度
• 具備廣泛的量子物理與工程應用專業，支援多種超導量子計算架構
• 長期深耕量測儀器領域，擁有頂尖的量子資訊技術客戶群
• 單一解決方案即可提供所有 Fluxonium 量子比特的 微波控制與讀出通道
• 使用 LabOne Q，以高階量子邏輯描述實驗，而不需擔心硬體細節
• 清晰的產品路線圖，支持與高階量子軟體棧（如 Qiskit）整合
• 即時頻寬達 1 GHz，確保最高控制與讀出保真度
• 提供高階編程介面的強大 低延遲反饋機制

介紹影片：

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