量子计算，可以算是近几年科研圈的最热门课题。尤其是在各大科技公司都出手招兵买马，建立自己的实验室后，量子计算的竞争也逐渐白热化。而在这个背景下，量子计算的线路之争，可能是目前最受争议的问题。

去年，作为量子计算第一股的IONQ，带着自己离子阱的方案在纳斯达克敲钟上市。今年初，作为intel押宝的硅量子比特也捷报频传，硅量子比特的量子门保真度首次达到99%以上[1]。但是相比之下，最受关注、研究最为成熟的线路依然是超导量子比特。2019年，谷歌就用一篇nature宣布实现了“量子优势”。IBM也在今年初发布了最新一代的量子计算机Eagel，首次实现了超过100个物理比特的量子计算体系。

超导量子计算能成为主流的平台，其原因也是显而易见的。离子阱平台需要极其复杂的光路搭建和单个离子的位置精确控制，使得大规模集成化一直困难重重。硅自旋量子比特，因为其物理尺寸非常小（<100nm）而对纳米制备的要求非常严苛。再加上电子自旋这一属性，本身就很难控制和读取，要想实现远距离的双量子比特门更是难上加难。而超导量子计算的基本单元，Transmon qubit尺寸较大（~10um）制备相对简单。通过共面波导谐振器（Coplanar waveguide resonators）进行量子比特的耦合技术也比较成熟。这些优点，使得超导量子计算的规模化成为一个相对简单的工程问题。

但是尽管Transmon结构相对简单制备容易，但是其缺点也是明显的：量子比特相干时间受限。快速的量子比特门代价是与环境更大的耦合，量子比特更容易退相干。相干时间是量子计算机的一个核心的指标。如果不能有足够长的相干时间，那么能在量子计算机上运行的算法将会受到极大的限制，导致不能发挥其“量子优势”。而且比较悲观的是， Transmon量子比特的相干时间在近十年都没有特别大的突破。早在2010年，学术界就已经实现了~100us的相干时间，而目前主流的Google、IBM量子计算机仍没有超越这个指标。这也对Transmon路线的未来带来的极大的阻碍。

在这种情况下，Fluxonium这种超导比特架构逐渐又回到了人们的视野中。 在此之前马里兰大学的团队已经实现了Fluxonium超过1 ms的相干时间[2]，轻松超越了所有Transmon比特。那么为什么Fluxonium可以实现更长的相干时间呢，这就要回归超导量子比特的基本原理。

本质上，目前的超导量子比特的基本元件都是约瑟夫森结，一种超导/绝缘体/超导结构的异质结。在电磁学的概念里，约瑟夫森结可以理解为一个非线性无损耗的电导。而由约瑟夫森结和其他元件组成的LC震荡电路，其量子化后的能级就可以作为量子比特“0”和“1”的量子位。根据原理的不同，约瑟夫森结量子比特可以简单分为三类[3]：charge比特、flux比特和phase比特。粗略的说，charge比特就是一个由外界电压控制的电磁震荡作为量子比特；phase比特是一个由外界磁通量控制的环路电路作为量子比特；而phase比特是对约瑟夫森结施加电流偏压而作为量子比特。

在此基础上，因为charge比特的噪声主要来源是电荷涨落，所以为了提高量子比特相干时间，人们经常会把它并联上一个很大的电容以减弱其电荷噪声。这就是我们常说的Transmon量子比特，也是业界用的最多的一种架构。同样的，flux的噪声来源主要是磁通量的涨落，所以我们可以把它并联上一个很大的电导，这就是所谓的Fluxonium比特。除此之外超导比特还有很多变种，包括Xmon、Gatemon、Quantronium等等，其本质也都是给约瑟夫森结加上不同的元件。

对比Transmon和Fluxonium，两者也是各有优劣。Transmon量子比特之间的耦合很大，可以在相对比较高的频率工作，实现快速的控制和读取。但是缺点也是明显的，其于环境的耦合也很大，而电荷噪声经常存在于电介质材料中，这就造成了量子比特的退相干。而Fluxonium因为对其原理是受磁通量的控制，天然就对电荷噪声不敏感。其作为量子比特也自然能拥有更长的相干时间。在此之前马里兰大学的团队已经实现了Fluxonium超过1 ms的相干时间。

但是Fluxonium作为和Transmon同一时期提出的架构，到目前都没有被广泛运用，其缺点也是难以忽视的。Transmon的制备相对简单，一般只需要两个约瑟夫森结。而Fluxonium中的电导，一般是上百个串联的约瑟夫森结。如果制备精度不够，上百个约瑟夫森结本身也会成为退相干的噪声源。另外，由于其架构Fluxonium必须工作在更低的频率，其比特间耦合强度也远低于Transmon。双量子比特门的实现，就是基于比特间的耦合。因此一直以来，高精度的Fluxonium双量子比特门都是业界的头号难题。马里兰大学的双量子比特门的精度只有99.2%，和主流的Transmon双量子比特门的精度（99.85 ~ 99.87%）仍然有较大差距。

而在2022年APS三月会议上达摩院量子实验室公布的fluxonium量子芯片[4]，则首次突破了上述的很多难题，首次实现了fluxonium比特的稳定制备和精度高达99.72%的两比特门操控，这一数据也是此类比特目前世界最佳水平。更重要的是，此数据以及接近了主流Transmon双量子比特门的精度。说明fluxonium这个体系已经足够成熟，再加上fluxonium天然的长相干时间优势，其未来的发展完全可能超越并替代Transmon。

为了布局fluxonium的研究，达摩院在材料生长制备，理论仿真、控制算法优化等多方面都作出了努力。在制备方面，达摩院发明了一种钛氮化铝（TAN）材料的外延体系制造量子器件的新方法，为超导平面波导提供更优越的性能。为了实现99.72%的操控精度，达摩院首次采用了SQiSW门控制。相比与业界常用的iSWAP门控制，SQiSW有着更高的精度。这一成果也将对其他平台的双量子比特门控制有很大的启发价值。在量子芯片的设计，达摩院也研发出了新的电磁仿真工具，相比经典的算法实现了两个数量级的加速。

据了解，达摩院的下一阶段目标为“可拓展的高精度”。目前很多媒体都会把单纯的量子比特数量，作为评价量子计算机优劣的参数。这样的理解是相对片面的。高精度和可拓展对于量子计算机未来的集成化缺一不可。

回到文章一开始的“线路之争”问题。在目前这个阶段，我相信没有人可以断定那条线路就一定是对的。不管是离子阱、硅量子点还是超导电路的科研人员，应该做的还是关注各个体系的优劣，稳扎稳打攻克规模化中遇到的难题。达摩院做出的工作，确实是为超导比特提供了一个全新的方向。但是fluxonium体系想要拓展比特数，还是有很多实际的问题要解决。比如如何降低多个约瑟夫森结带来的额外噪声？规模化后如何实现多比特的复杂的量子门？Transmon规模化的解决方案Surface codes是否能用在fluxonium中？至于量子计算未来会走向何方，就让我们拭目以待吧。

[1] https://www.zhihu.com/question/512605977/answer/2321313502

[2] Nguyen, Long B., et al. "High-coherence fluxonium qubit." Physical Review X 9.4 (2019): 041041.

[3] Kockum, Anton Frisk, and Franco Nori. "Quantum bits with Josephson junctions." Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect. Springer, Cham, 2019. 703-741..

[4] Bao, Feng, et al. "Fluxonium: an alternative qubit platform for high-fidelity operations." arXiv preprint arXiv:2111.13504 (2021).