（a） 超材料环谐振器器件的芯片布局。（b）、（c） 具有伪彩色高光的装置光学显微照片。（d） 量子比特中约瑟夫森结的SEM图像。该器件具有两个通量可调谐量子比特（QA 和 QB），它们耦合到指示位置的环形谐振器：用于探测环谐振器模式的上馈线的 Rin/Rout 连接，以及用于测量耦合到每个量子比特的读出谐振器的鳍/Fout 连接。（e） 测得的环形谐振器模式频率用灰色虚线表示。当不包括引线键合引起的杂散电感并且任何简并提升都是由于量子比特或馈线引起的时，理论模式频率用绿色虚线表示。蓝色实线表示引线键合对环形谐振器模式频率的较大简并提升效应。图片来源：PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.020325

实现容错量子处理器需要耦合量子比特来生成纠缠。超导量子比特是量子信息处理的一个很有前途的平台，但扩展到全尺寸量子计算机需要以低错误率互连许多量子比特。传统方法通常将耦合限制在最近邻，需要较大的物理尺寸，并且涉及大量耦合器，使制造复杂化。

例如，成对耦合 100 个量子比特需要大量的耦合器。此外，即使是 1,000 个量子比特，使用单独的电缆控制单个电路元件和耦合器也需要大量电缆，这使得在大型实验室中安装这样的系统是不可行的，更不用说管理数百万个量子比特了。这凸显了对更高效、更可扩展的耦合方法的需求。

由FZJ的Mohd Ansari领导的理论物理学家团队与雪城大学的Britton Plourde实验团队合作，引入了一种使用多模耦合器的新方法，该方法可以在任何一对量子比特之间实现可调耦合强度。

该研究发表在PRX Quantum上，利用了由超材料传输线制成的形状像环的共享耦合器。这种设计在量子比特跃迁频率范围附近产生密集的驻波谐振频谱。左旋环形谐振器由 24 个电感接地和电容耦合单元组成，在最小截止频率以上表现出一组密集的模式，模式频率在较高频率下传播得更远。

这种独特的设计，其中驻波的频率与其波长成线性比例，与传统的驻波形成鲜明对比。例如，频率加倍会使波长加倍，这与典型系统不同，在典型系统中，频率加倍会使波长减半。想象一下，一种乐器，更高的音调对应于更长的波长——这个概念违背了传统的期望。

放置在环形谐振器的 3 点钟和 6 点钟位置的两个超导量子比特与驻波耦合，相互作用强度取决于它们所在位置的驻波振幅。将多个量子比特耦合到一个共同的谐振模式会诱导横向交换交互，耦合取决于每个量子比特对各种模式的失谐。这些相互作用可以是积极的，也可以是消极的。此外，每个量子比特的高激发态与耦合模式之间的相互作用会导致高阶 ZZ 相互作用，这些相互作用也随量子比特失谐而变化，并可能改变符号。

交换和ZZ相互作用的这种可变性与理论模型非常吻合，允许将纠缠能量尺度从大值调整为零。将该系统扩展到环周围的两个以上的量子比特的潜力使其成为控制大型量子比特阵列中纠缠的有前途的平台。

更多信息：T. McBroom-Carroll 等人，由多模左手超导环谐振器介导的人工原子之间的纠缠相互作用，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.020325