超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率分配优化.pdfVIP

超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率分配优化1

超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率分配优化

摘要

超导量子计算作为量子信息领域最具前景的技术路线之一，其核心挑战在于如何

精确控制量子比特的演化过程。微波控制信号的功率分配优化直接决定了量子门操作

的保真度和量子算法的执行效率。本报告系统研究了超导量子芯片中量子比特微波控

制信号的功率分配优化问题，建立了包含量子比特能级结构、控制信号传输路径、噪声

特性等多因素耦合的理论模型。通过分析现有功率分配方案的局限性，提出了基于机器

学习与自适应反馈控制的优化框架，开发了针对多比特系统的动态功率分配算法。实验

结果表明，该方法在典型超导量子芯片上可将单比特门保真度提升至99.9%以上，双

比特门保真度提升至99.5%以上，同时将控制信号功率消耗降低30%。本研究成果为

大规模超导量子计算机的控制系统设计提供了重要理论依据和技术支撑，对推动我国

量子计算产业化进程具有战略意义。

引言与背景

量子计算发展现状

量子计算作为颠覆性计算范式，其发展已进入从实验室研究向工程化应用过渡的

关键阶段。根据国际量子技术产业联盟2023年发布的《全球量子计算发展报告》，全

球已有超过50家企业和研究机构实现了50量子比特以上的超导量子处理器原型，其

中IBM、Google和中国科学技术大学等机构在量子比特数量和质量方面处于领先地位。

我国”十四五”规划明确将量子信息列为国家重点发展的前沿技术领域，科技部于2022

年启动了”量子计算”重点专项，投入超10亿元支持相关技术研发。超导量子计算凭借

其良好的可扩展性和相对成熟的制备工艺，已成为最接近实用化的量子计算技术路线

之一。

超导量子计算技术特点

超导量子比特利用超导电路的量子特性实现量子信息存储和处理，其核心优势在

于：第一，基于成熟的微纳加工技术，可实现大规模集成；第二，量子比特频率可设计

在48GHz微波频段，便于与现有微波电子学技术兼容；第三，相干时间已从早期的微

秒量级提升至毫秒量级，满足量子纠错的基本要求。然而，随着量子比特数量增加，控

制系统的复杂度呈指数级增长，特别是微波控制信号的精确调控面临严峻挑战。每个量

子比特通常需要24路独立微波控制信号，对于100量子比特系统，需要同时处理数百

路高频信号，其功率分配的优化程度直接影响整个量子计算机的性能。

超导量子芯片中量子比特的微波控制信号功率分配优化2

微波控制信号的关键作用

在超导量子计算中，微波控制信号承担着量子态初始化、量子门操作和量子态测量

等关键功能。这些信号通常由任意波形发生器(AWG)产生，经过上变频、放大、衰减

等处理后通过同轴线缆传输至低温环境中的量子芯片。控制信号的功率精度直接影响

量子门操作的保真度：功率过高会导致量子比特能级跃迁概率饱和和能级泄漏；功率过

低则无法实现有效的量子态操控。根据NaturePhysics2023年的一项研究，微波控制

信号功率误差每增加1%，单比特门保真度将下降约0.5%。因此，开发高效的功率分配

优化策略对提升超导量子计算机性能具有决定性意义。

研究意义与价值

本研究的意义体现在三个层面：在科学层面，将深化对超导量子比特与微波场相互

作用机制的理解，推动量子控制理论发展；在技术层面，提出的优化方法可直接应用于

现有超导量子计算机控制系统，显著提升量子门操作保真度；在产业层面，有助于降低

超导量子计算机的运行成本和能耗，加速其产业化进程。根据麦肯锡预测，到2030年

量子计算市场规模将达到700亿美元，其中超导量子计算将占据主导地位。本研究的成

果将为我国在量子计算硬件竞争中提供关键技术支撑，符合国家”量子科技”发展战略要

求。

报告结构安排

本报告共分为13个章节，系统阐述超导量子芯片微波控制信号功率分配优化的理

论、方法与实践。第1章为摘要，概述研究核心内容；第2章介绍研究背景与意义；第

3章分析超导量子计算控制系统现状；第4章探讨相关理论与技术基础；第5章提出研

究目标与框架；第6章详细说明技术路线与方法；第7章设计具体实施方案；第8章

进行经济效益分析；第9章评估潜在风险；第10章制定保障措施；第11章规划阶段

成果；第12章总结全文并展望未来；第13