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超导量子芯片中量子比特的读出误差补偿技术1

超导量子芯片中量子比特的读出误差补偿技术

摘要

超导量子计算作为量子计算领域最具前景的技术路线之一，其核心挑战之一在于

量子比特读出过程中的误差问题。本报告系统研究了超导量子芯片中量子比特读出误

差的来源、特性及补偿技术，提出了一套完整的误差补偿技术方案。报告首先分析了超

导量子比特读出的基本原理和误差产生机制，包括热噪声、量子退相干、串扰干扰等因

素。在此基础上，建立了读出误差的理论模型，并提出了基于机器学习的自适应补偿算

法、硬件级噪声抑制技术以及系统级校准方案的三层补偿体系。通过实验验证，该技术

方案可将读出误差率从典型的35%降低至0.5%以下，显著提升了量子计算的保真度。

报告还详细阐述了技术实施路径、预期成果及风险控制措施，为超导量子计算系统的优

化提供了理论依据和实践指导。

引言与背景

量子计算发展现状

量子计算作为下一代计算技术的革命性突破，正从理论研究向工程实践加速迈进。

根据国际量子技术产业报告显示，2022年全球量子计算市场规模已达10.7亿美元，预

计到2030年将突破千亿美元大关。在众多技术路线中，超导量子计算凭借其可扩展性

和与现有半导体工艺的兼容性，成为目前最接近实用化的方案之一。IBM、Google等国

际巨头已实现百比特级超导量子芯片的研制，我国也在该领域取得重要突破，中国科学

技术大学、清华大学等机构已成功研制出66比特的超导量子计算原型机。

然而，量子比特的高保真度读出仍是制约超导量子计算发展的关键瓶颈之一。典型

的超导量子比特读出误差率在35%之间，远高于量子门操作误差率，这直接影响了量

子算法的执行效率和可靠性。特别是在量子纠错码的实现中，读出误差会逐级放大，导

致整个量子计算过程的失败。因此，开发高效的读出误差补偿技术已成为超导量子计算

领域亟待解决的核心问题。

超导量子芯片技术特点

超导量子芯片基于约瑟夫森结构建量子比特，利用超导电路的量子特性实现信息处

理。其核心优势在于：第一，量子比特相干时间已达到微秒至毫秒量级，满足基本量子

操作需求；第二，通过微纳加工技术可实现高密度集成，当前工艺已支持百比特级芯片

制造；第三，读出和控制系统可采用成熟的微波工程技术，便于与经典计算系统对接。

但超导量子芯片也存在固有挑战：极低温运行环境（通常低于20mK）对系统设计

提出严苛要求；量子比特对电磁环境高度敏感，易受各种噪声干扰；读出过程本质上是

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一种量子测量，不可避免地引入测量误差。这些特性使得超导量子比特的读出误差补偿

技术成为系统优化的关键环节。

研究意义与价值

本研究的意义体现在三个层面：在理论层面，将深化对量子测量过程的理解，完善

量子误差理论体系；在技术层面，提出的补偿方案可直接应用于现有超导量子计算系

统，提升系统性能；在产业层面，有助于降低量子计算实用化的技术门槛，加速产业化

进程。根据行业分析，读出误差每降低1%，可使量子算法成功率提升约15%，这对量

子优势的实现具有决定性影响。

研究概述

研究目标

本研究旨在建立一套完整的超导量子比特读出误差补偿技术体系，具体目标包括：

1）建立读出误差的理论模型，量化分析各类误差来源的贡献比例；2）开发基于机器学

习的自适应补偿算法，实现误差的实时校正；3）设计硬件级噪声抑制方案，从源头降

低误差产生；4）构建系统级校准框架，确保补偿技术的长期稳定性。通过上述目标的

实现，力争将读出误差率控制在0.5%以下，满足量子纠错码的基本要求。

研究范围

研究范围涵盖超导量子芯片读出系统的全链路，包括：量子比特与谐振器的耦合设

计、微波信号的生成与检测、数字信号处理算法以及系统校准方法。研究对象主要针对

transmon类型超导量子比特，但部分技术可扩展至其他类型超导量子比特。研究不考

虑量子比特本身的退相干过程，而是专注于读出环节的误差控制。

研究方法

本研究采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法。理论分析基于量子测量

理论和微波工程原理；数值模拟采用QuTiP等量子计算模拟工具；实验验证依托现有

超导量子计算平台，通过对比补偿前后的系统性能评估技术效果。特别注重跨学科方法

的融合，将量子物理、