近日，量子科学与工程研究院燕飞副研究员、胡玲助理研究员等与德国于利希研究中心的Gianluigi Catelani研究员、东南大学的蒋之浩教授合作，在超导比特准粒子噪声的产生原理与抑制手段的研究方面取得新的进展。团队在实验上研究了超导量子比特结构设计与非平衡态准粒子产生速率的关系，并证明准粒子来源的局域性，即准粒子是由约瑟夫逊结处的库珀对（电子对）吸收杂散光子发生断裂而产生。团队进一步利用多芯片垂直封装结构来优化比特设计，有效抑制了准粒子的产生，为超导量子比特设计提供了新的思路。相关研究成果于2022年11月23日以“Engineering superconducting qubits to reduce quasiparticles and charge noise”为题发表在学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。

基于约瑟夫森结的超导量子电路是实现量子计算的先进技术路线之一。量子比特的正常运行需要保证比特能级的稳定。一个公认的影响超导量子比特能级稳定性的潜在危害就是准粒子中毒现象——库伯对被打断产生准粒子，而准粒子遂穿能引起能级阶跃等过程。准粒子中毒是超导量子比特退相干的重要来源之一。近期国际上很多工作均表示宇宙射线或者高能辐射有可能在短时间内引发不同比特的准粒子中毒，从而造成关联性的错误，阻碍了量子纠错码的有效实施。另外不同实验所测得的准粒子密度远高于热平衡态下的理论预测，学界对这部分准粒子的来源尚未有清晰认识，人们尝试用准粒子阱的方法来抑制准粒子中毒效果也不明显。因此，深入研究准粒子的产生机制，并提出有效的抑制准粒子中毒的方法至关重要。

研究团队设计同时开发了平面和垂直封装结构的量子比特芯片，芯片上分别包含6~12个不同尺寸结构的量子比特，量子比特的参数空间从超导电荷量子比特体系覆盖到对电荷敏感的Transmon体系。在实验中，通过直接色散读取和基于Ramsey波形序列的两种电荷宇称测量方法来捕捉准粒子隧穿的信号，提取准粒子隧穿速率。

研究团队通过测量不同尺寸下的量子比特准粒子隧穿速率，同时对比三维有限元电磁仿真结果，证实了量子比特结构与非平衡态准粒子的关联。当前典型的超导量子比特的电容板尺寸大约在几百微米，对应天线的基模频率大约在几百吉赫兹。超导量子比特通常选择铝(Al)这种材料来制备，其超导能隙（即打断库珀对所需能量）通常在一百吉赫兹左右。因此量子比特的这种结构可以看作一个很好的吸收天线，用于吸收该频段的杂散光子，造成库珀对的破坏。通过对比研究不同尺寸的超导量子比特结构，实验结果支持了测试环境中的杂散光子作为非平衡态准粒子主要来源的假想。基于相同原理，研究团队发现利用倒桩贴片的垂直封装技术在量子比特上方增加一个金属盖可以有效地抑制天线的吸收效率，从而抑制准粒子中毒现象。另外，通过对多个比特的同时监测，团队还发现小尺寸与浮地结构有利于电荷稳定性。

最后，研究团队观测了不同结构的量子比特准粒子隧穿速率随温度的变化。实验结果表明，相对于约瑟夫结区域的超导材料，具有更低超导能隙的比特电容板是一个很好的准粒子势阱。

该工作充分结合了量子工程、凝聚态物理、经典电磁理论等不同学科的专业知识，展示了如何通过设计量子比特结构来有效地抑制准粒子中毒现象，通过采用小型化比特设计、垂直封装加盖方法、设计准粒子势阱等手段提升量子比特的稳定性，为将来更长寿命更稳定的量子比特设计提供指导。

在该研究成果中，南方科技大学硕士生潘先闯和博士生周宇轩为论文共同第一作者，通讯作者为量子研究院的副研究员燕飞、助理研究员胡玲、德国于利希研究中心的研究员Gianluigi Catelani。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委、中国科学院和南方科技大学的大力支持。