米乐m6官方网站（以下简称“AIST”），物理测量标准研究部，量子电学标准研究组，高级研究员中村英二，东京理科大学研究生，蔡昭信教授等人超导量子位高保真度进行快速初始化的新方法。
最近提议量子纠错的大规模量子计算机中，需要在任意时间高速且高保真地初始化量子位。该方法使用超导量子位兴奋状态被转换成光子状态，转换后的光子是通过纳米处理产生的超导/常导结吸收超导量子位来初始化它。这种方法允许量子位快速且高保真地初始化，同时保持对量子位的影响较小。在这项研究中，我们使用该方法在大约 180 纳秒（1 纳秒是十亿分之一秒）的初始化时间内成功初始化了保真度超过 99% 的量子位，比传统方法缩短了大约 65%。希望这将为各国正在积极研究的量子计算机的研究和开发做出贡献。
该技术的详细信息将于 2023 年 10 月 30 日（印度时间）公布。已应用物理审查》杂志上。
近年来，人们的注意力集中在量子计算机上，它利用量子力学现象来处理传统计算机需要时间才能处理的特定问题。量子计算机有望在密码学、优化问题、化学反应模拟、金融等领域发挥巨大威力，未来有望得到进一步发展。
传统计算机中使用的信息单位是位，即“0或1”，但在量子计算机中，信息单位是“量子力学叠加”实现的“同时为0和1”的量子比特。这些量子位可以利用半导体和超导电路中的电子自旋来实现，目前世界各国正在进行研究和开发。
在使用这种量子位的量子计算机中，需要在开始计算之前初始化这些位，就像传统计算机一样。最简单的初始化方法是初始化量子位能量弛豫时间来实现。然而，随着量子计算机研究和开发的进展，量子位的性能不断提高，量子位的能量弛豫时间已从亚毫秒（1/10,000秒）增加到毫秒（1/1000秒），这就需要主动方法来缩短初始化时间。此外，近年来提出的量子纠错需要对“量子位”进行重复初始化来保护它，因此需要一种高速、高保真的初始化技术。
近年来，海外其他团体已经证明超导结和常导结具有吸收量子电路中的光子的能力。理论上已经表明，使用这种超导/常导结可以加速量子位的一种类型——超导量子位的初始化，这作为一种新的初始化方法引起了人们的关注。另一方面，这种方法也存在降低超导量子位本身性能的缺点，这一问题的解决方案一直在等待。
东京理科大学蔡实验室是量子计算机研发的领先者之一，一直在进行超导量子位的研发。在这种情况下，我们在2021年理论上证明，通过“超导谐振器”连接“超导/常导结”和“超导量子位”，可以在不降低其性能的情况下高速初始化超导量子位。另一方面，AIST为了实现作为电流“测量”的量子电流标准，一直在进行超导和常导结的研究，并拥有世界上最高质量的结制造技术。因此，自2020年以来，双方一直在共同努力推进研究。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金、基础研究 B“利用几何磁结构的电路量子电磁学研究（研究代表：中村英二）”、国际合作研究 A“利用几何磁结构的混合量子器件研究（研究代表：中村英二）”和 JST 的支持。得到CREST“利用超导人造原子的基于光子的量子信息处理（研究代表：蔡肇星）”、NEDO“量子计算和Ising计算系统的综合研究与开发（联合研究员：蔡兆星）”和JST（Moonshot型研发项目“利用超导谐振器的玻色码的研究和开发（项目发起人：蔡兆星）”）的支持。
在这项研究中，我们制造了一种装置（图 1），其中“超导/常导结”和“超导量子位”通过“超导谐振器”连接，并进行了实验。该装置由产业技术研究院和东京理科大学联合开发。
图 1。器件的光学显微照片（中）以及超导/常导结（左）和超导量子位（右）的电子显微照片。左边的电子显微照片中，中间的白色部分和左边上下延伸的白色部分是超导和常导结。右边的电子显微照片中，十字结构和右边的白色部分是超导量子位。
初始化实验是由 AIST 和东京理科大学在 AIST 设施中联合进行的。在实验中，我们首先通过用约 100 纳秒的微波信号照射量子位，将超导量子位转变为激发态 (|1>)（图 2 ➀）。接下来，通过用与①不同频率的微波信号照射超导量子位，“超导量子位的激发态（|1>）”被转换为“超导谐振器中的光子”。此时，量子位从激发态（|1>）弛豫到基态（|0>）（图2➁）。此外，通过与将激发态（|1>）转换为光子的微波同步地向超导/常导结施加电压，结吸收光子（图2➂），完成超导量子位的初始化（图2➃）。
图2，所开发的量子比特初始化技术的概念图
在本研究中，我们重复上述初始化过程，并估计初始化后量子位处于基态 (|0>) 的概率。我们发现，超导量子位基态的概率随着初始化时间的增加而增加（图3，左图），并且初始化在180纳秒内以超过99%的保真度完成（图3，右图）。此外，通过比较实验结果和理论计算，我们证实本研究中执行的超导量子位的初始化是通过超导/常导结中的光子吸收加速的。
图3，初始化时间和初始化后基态概率
我们通过实验证实，利用超导结和常导结之间的光子吸收可以缩短超导量子位的初始化时间。这种初始化方法可以应用于初始化多个超导量子比特，是一项有助于未来大规模量子计算机实现的技术。
未来，我们将通过优化元件和测量系统来进行旨在更快初始化的研究。此外，作为实现大规模量子计算的第一步，我们将进行研究以确认这种初始化方法对于多个超导量子位的有效性。
已出版的杂志：已应用物理审核
论文标题：使用量子电路冰箱进行超导量子位的主动初始化实验
作者：Teruaki Yoshioka、Hiroto Mukai、Akiyoshi Tomonaga、Shintaro Takada、Yuma Okazaki、Nobu-Hisa Kaneko、Shuji Nakamura*、Jaw-Shen Tsai*（* 通讯作者）