量子比特又稳又快！麻省理工Arm量子比特把相干时间和门速度同时拉满

在量子计算机的实用化进程中，长期存在的一个核心矛盾是，量子比特需要在足够长的时间内保持相干性以完成计算，同时又必须能够快速、高保真地与其他量子比特及控制电路交互。而传统超导量子比特的设计通常会在二者之间取舍，难以兼顾。

比如，transmon以牺牲非谐性换来可制造的耦合，fluxonium以深势阱换来长相干，但都没有把“又稳又快”同时兼顾。

就在最近，麻省理工学院（MIT）的研究团队提出一种名为Arm量子比特的超导量子比特架构。这一架构采用双模协同设计理念，在同一量子比特中设置两个强耦合模式。其中，低频、强非谐的数据模式负责保存量子信息；高频、较易连接的“臂模式”负责与耦合器、谐振腔等组件交互。

根据含退相干模拟结果，该架构可在17纳秒内完成微波驱动的CZ门，错误率约为8.7×10⁻⁵；5纳秒单量子比特门的错误率低于10⁻⁵；在量子效率为0.5的假设下，读出可在38纳秒内把态判别错误压到10⁻³以下。

显然，这种新的量子比特架构有望实现比现有设计更快、更高保真度的操作。

双模协同设计

现有超导量子处理器中，transmon因结构相对简单、控制成熟、易于集成，长期占据主流。但它的非谐性较弱，控制脉冲过快时更容易把系统激发到计算空间之外。

fluxonium则利用约瑟夫森结阵列形成的超电感和外加磁通，通常具有更强的非谐性和更长的相干时间，不过代价是工作频率较低，且如何兼顾快速控制、读出和大规模布线，需要额外设计。

更难搞的是耦合。两个模式如果通过常规线性电容或电感强耦合，量子态会发生混合。

用于双量子比特门时，这种混合可能留下持续存在的ZZ相互作用，即使不执行门操作，两个量子比特也会彼此施加条件相位，形成相干串扰。

用于读出时，强混合还会增加Purcell衰减和测量诱导跃迁，因此系统需要Purcell滤波器、较大频率失谐或更复杂的可调耦合结构。

这也是Arm量子比特要处理的核心矛盾。Arm量子比特，本质上是一个双用途、甚至可以说是“双核”的体系。

图：Arm量子比特的电路设计与耦合原理

正如论文合著者Alec Yen所言：“这是一种全新的架构，它向我们展示了硬件系统其实可以被设计得非常具有可行性。我们把两个独立又相关的想法结合在一起，实现了量子比特协同设计。”

具体来说，Arm量子比特被物理分割成了两个独立但又相互连接的组件：

“数据模式”采用类fluxonium设计，具有大非谐性和较低的工作频率（约1-2 GHz），使其能够实现长相干时间。模拟显示，该模式的回波退相干时间可超过400微秒。

另一部分称为“臂模式”（Arm mode），采用类transmon设计，工作频率高于7 GHz。该模式的作用类似于数据模式伸出的“手臂”，负责与量子处理器的其他组件（如辅助量子比特或读取谐振器）进行交互。这就是该架构得名的原因。

更强的耦合

把一对分工明确的组件硬凑在一起，最容易爆雷的地方就是串扰。在常规物理电路中，当我们将存储数据的部分和负责对外的“手臂”直接耦合时，往往会导致它们发生不必要的相互混合。

随着连接在底层芯片上的量子比特数量越来越多，这种混合会产生滚雪球般快速积累的误差。最终，计算还未完成，脆弱的量子态就已经全面崩塌。

为了避免这种混合，研究团队使用了一种被称为“四分轴耦合器”（Four-axis coupler）的特殊装置。

这是研究人员此前独立开发的一项器件技术，它的作用是在数据模式和臂模式之间建立起极强的“非线性耦合”。

在量子世界里，非线性耦合是一个非常不错的特性。简单理解，这意味着当通过“手臂”对系统进行某种调控时，数据态的频率能够随之发生剧烈响应，但这两者在物理层面上并不会出现能量的直接泄漏或混沌交织。

论文的第一作者、EECS研究生Jeremy Kline对此做了一个非常精辟的总结：“通过将‘臂’这一部分专门用于物理耦合，我们成功设计出了一种具有极高扩展潜力、并且对现代晶圆制造误差具有强韧性的架构。最关键的是，四分轴耦合器撑起了一座桥梁，让强非线性耦合不仅成了可能，还极其稳定。”

图：双量子比特门电路与能级排斥机制

由于大量减少了不必要的混频噪声，这种特殊的耦合机制让量子比特能够在发生退相干之前，用更短的时间完成一系列极其复杂的计算指令。在量子计算里，操作速度的提升，本身就是对付退相干最有效的防线之一。

具体到麻省理工的这项研究里，Arm量子比特建立在本研究通讯作者O’Brien团队此前提出的quarton非线性耦合器工作上。研究团队指出，利用quarton耦合器，本研究在数据模式和臂模式之间建立了强非线性耦合（可达数百MHz），同时将有害的线性耦合和模式杂化降至最低。

性能飙升

在详尽的开放量子系统模拟测试中，Arm量子比特性能可以说是碾压现有部分架构。

在双量子比特门方面，模拟显示仅用微波驱动即可在17纳秒内实现CZ门，保真度误差（含退相干效应）为8.7×10⁻⁵。同时，始终开启的ZZ寄生耦合被抑制到0.4 kHz以下，这对多量子比特系统的可扩展性至关重要。

单量子比特门的性能同样受益于数据模式约3 GHz的大非谐性，保真度误差低于1×10⁻⁵。在读取方面，该方案利用臂模式作为中介，可在38纳秒内实现状态分配误差低于1×10⁻³的读取（假设量子效率η=0.5）。

此外，该设计自然地抑制了珀塞尔衰减，无需额外滤波器，并将散粒噪声退相干时间抑制到13.4毫秒水平。

除了性能指标，Arm量子比特在可扩展性方面也展现出潜力。其臂模式的类transmon特性提供了充足的电容预算，使其能够支持二维晶格结构，通过电容耦合连接transmon耦合器或读取谐振器。

研究团队进行的蒙特卡洛模拟表明，该方案对制造参数变化具有较好鲁棒性：有90%的概率在15纳秒脉冲下实现低于1.8×10⁻⁴的相干误差，静态ZZ耦合有90%的概率低于1.8 kHz。

 图：CZ门模拟性能与鲁棒性分析

研究团队表示，该设计的另一优势在于其读取方案无需工作在色散区域，这避免了传统色散读取中测量诱导态转移和散粒噪声退相干的限制。通过将臂模式的约瑟夫森结替换为SQUID，在不进行读取时可将臂模式调离谐振器频率，进一步抑制散粒噪声退相干。

写在最后

在超导量子比特技术路线图中，Arm量子比特的定位类似于一种“混合架构”，它借鉴了fluxonium的长相干特性和transmon的强耦合能力，通过quarton耦合器实现了二者的协同工作。

这一方向与近年来其他研究团队探索的fluxonium-transmon混合架构思路有相似之处，但Arm量子比特通过将两种功能分配到同一量子比特的两个模式中，实现了更紧凑的设计。

目前，该工作仍处于理论设计与模拟验证阶段。下一步，研究团队计划在实验室中实际制造Arm量子比特，以验证其性能是否与模拟预测一致。Kevin O'Brien教授表示，如果成功制造，该量子比特“可能成为未来纠错量子计算机的基石”。

从更宏观的角度看，Arm量子比特的提出反映了超导量子计算领域的一个趋势：单纯的量子比特数量增长已不再是唯一追求，如何在保持相干性的前提下实现高效、可靠的交互成为更受关注的课题。

如果这一思路能通过实验验证，或将为构建可扩展、容错的量子计算系统提供一条可行的技术路径。

[1]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/3l3b-7jsm

[2]https://news.mit.edu/2026/new-qubit-architecture-enables-faster-more-accurate-operations-0903