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超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率优化1

超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率优化

摘要

本报告系统研究了超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率优化问题。超导

量子计算作为量子信息领域的重要发展方向，其核心在于量子比特的高精度操控。微波

控制信号的功率优化直接关系到量子比特的保真度、相干时间和操作效率。报告首先分

析了超导量子计算技术的发展现状和面临的挑战，重点指出了微波控制信号功率优化

的重要性。在此基础上，建立了完整的理论框架，包括超导量子比特的哈密顿量描述、

微波控制信号的物理模型以及功率优化问题的数学表述。报告提出了多层次的技术路

线，涵盖了从理论建模、仿真分析到实验验证的完整研究方法。通过详细的实施方案设

计，包括硬件平台搭建、软件算法开发和实验流程规划，为实际研究提供了可操作的指

导。报告还进行了风险评估和保障措施分析，确保研究的顺利实施。预期成果包括建立

微波控制信号功率优化的理论体系、开发高效的优化算法、形成实验验证方案等。本报

告的研究成果将为超导量子计算技术的发展提供重要支撑，对推动我国量子信息产业

的进步具有重要意义。

引言与背景

超导量子计算技术发展概述

超导量子计算作为量子计算技术的重要分支，近年来取得了显著进展。自1999年

日本NEC研究所首次实现超导量子比特以来，该技术路线凭借其可扩展性和与现有半

导体工艺的兼容性，逐渐成为国际竞争的焦点。根据国际量子计算产业联盟2023年度

报告显示，全球已有超过50家机构投入超导量子计算研发，其中谷歌、IBM和中国科

学技术大学等团队已实现超过100个量子比特的芯片集成。我国在”十四五”规划中明确

提出要重点发展量子信息技术，超导量子计算被列为优先发展方向。2022年，科技部

发布的”量子信息”重点专项指南中，将”超导量子芯片规模化集成与操控”列为关键攻关

任务，为相关研究提供了强有力的政策支持。

微波控制信号在量子比特操控中的关键作用

微波控制信号是超导量子比特操控的核心媒介。超导量子比特通常采用约瑟夫森

结作为非线性元件，其能级结构可通过微波信号进行精确调控。在典型的超导量子芯

片中，每个量子比特都需要独立的微波控制通道，包括驱动、读取和耦合控制等不同功

能。控制信号的功率参数直接影响量子门操作的保真度和速度。根据量子计算理论，理

想的量子门操作需要满足特定的脉冲波形和功率条件，而实际系统中存在的各种非理

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想因素使得功率优化变得复杂。研究表明，在当前技术水平下，微波控制信号的功率误

差是导致量子门操作保真度下降的主要原因之一，约占总误差贡献的30%40%。

功率优化问题的研究意义与挑战

微波控制信号功率优化研究具有重要的理论和实践意义。从理论层面看，该问题涉

及量子力学、电磁场理论、控制理论等多个学科的交叉，是量子计算基础研究的重要组

成部分。从应用层面看，优化功率参数可以直接提升量子门操作的保真度，延长量子比

特的有效工作时间，从而提高整个量子计算系统的性能。然而，该研究面临多重挑战：

首先，超导量子比特的相干时间通常在微秒量级，对控制信号的精度要求极高；其次，

量子芯片中的串扰和噪声使得功率优化问题呈现高度非线性特征；再者，随着量子比特

数量的增加，优化问题的维度呈指数级增长，对算法效率提出了严峻挑战。这些因素使

得微波控制信号功率优化成为超导量子计算领域亟待解决的关键科学问题。

研究概述

研究目标与核心问题

本研究的总体目标是建立超导量子芯片中微波控制信号功率优化的系统化解决方

案。具体目标包括：构建描述微波控制信号与量子比特相互作用的精确物理模型；开发

高效的功率参数优化算法；设计可验证的实验方案；形成标准化的优化流程。核心科学

问题包括：如何准确建模微波控制信号在量子芯片中的传播与耦合效应；如何平衡量子

门操作速度与保真度之间的矛盾；如何抑制量子比特间的串扰对功率优化的影响；如何

设计可扩展的优化算法以适应未来大规模量子芯片的需求。解决这些问题将为超导量

子计算技术的实用化奠定坚实基础。

研究范围与边界条件

本研究聚焦于超导量子芯片中微波控制信号的功率优化问题，研究范围涵盖理论

建模、算法开发、仿真验证和实验测试等环节。研究对象主要包括基于transmon和

fluxonium