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前沿研究
诺思罗普·格鲁曼新方案：10纳秒无微波读取超导量子比特，保真度99.7%
超导量子比特的读取一直是规模化的“卡脖子”环节——传统色散读取又慢又依赖微波。诺思罗普·格鲁曼团队这次直接甩出一套无微波方案：10纳秒制备与读取、99.7%保真度、282个器件验证，还顺带把量子信号转成数字逻辑，整套思路对超导量子计算控制系统而言，属于值得细读的硬核参考。
龙哥读论文
发布于 2026-09-05 00:31:07
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原论文信息如下：
如果问你，超导量子计算机最拖后腿的环节是什么？可能很多人会先想到量子比特的相干时间不够长、门错误率不够低。但在真正搞超导量子计算的人眼里，有一个环节同样让人脑壳疼，那就是量子态的制备与测量，也就是论文里常说的SPAM。传统方案里，无论是制备还是读取，都得靠精心调校的微波脉冲，一套复杂的微波线缆和室温电子学设备从稀释制冷机外面伸进去，又占空间又引入噪声，而且测量一次动辄需要100纳秒左右，比动辄只要10到几十纳秒的量子门操作慢了一个量级还多。
这就很尴尬了：量子门那么快，结果你读一次要等那么久，整个算法的运行时间直接被读取拖死。更别说想扩大量子比特规模的时候，每一根微波线缆都是实打实的工程噩梦。室温控制线缆一多，制冷机的热负载就上去了，串扰也跟着来，整个系统的可扩展性都被卡住。
所以，当看到诺思罗普·格鲁曼团队在arxiv上放出的这篇论文时，龙哥确实眼前一亮。他们做的事情可以概括成一句话：把超导量子比特的制备和读取，从“微波依赖症”里彻底解放出来，用纯磁通斜坡信号搞定一切。有多快？制备或者读取一次，只要10纳秒，保真度超过99%，最好的器件能做到99.7%。这还不是全部，他们把量子信号继续往下游送，通过量子磁通参变器放大后直接喂给模数转换器（ADC），完整的“量子到数字”转换只要15纳秒——比现有最先进的基于微波的色散读取技术快了一个数量级。
无微波的量子态操控：超导量子比特SPAM技术革新 这篇论文的标题很直白：《Fast Microwave-free State Preparation and Measurement of Superconducting Qubits》，翻译过来就是“超导量子比特的快速无微波态制备与测量”。发表单位是美国军工巨头诺思罗普·格鲁曼的量子计算团队，挂靠在诺思罗普·格鲁曼任务系统公司下面，地址在马里兰州林西克姆高地。从作者列表来看，这是一个规模庞大的团队协作成果，几十号人的署名列表密密麻麻，看得出这种从器件设计到工艺制造再到低温测量全链条的工作，确实不是一个小课题组能独立搞定的。
论文的核心思路其实非常优雅。他们设计了一个双量子比特系统：一个高相干的“计算量子比特”（Computational Qubit，简称CQ），负责真正存储和运算量子信息；另一个是“通量量子比特”（Flux Qubit，简称FQ），负责辅助完成制备和读取。这两个量子比特之间通过电感或者电容强耦合。平时干活的时候，计算量子比特远离通量量子比特的高损耗区域，保持自己的长相干时间；等需要制备或者读取的时候，只要对通量量子比特施加一个简单的磁通斜坡信号，就能让两个量子比特发生绝热交换，把光子激发态从计算量子比特转移到通量量子比特上，然后通量量子比特顺势anneal到双势阱区域，把量子信息转成经典的环流方向——左边环流代表0，右边环流代表1。
这整个过程中完全不需要任何微波脉冲，只用了两路磁通控制信号，一路叫α，负责改变通量量子比特的势阱形状（单阱到双阱的切换），另一路叫Δ，负责调节双阱的倾斜程度。这两路信号都是缓变的直流或者斜坡信号，正好是超导单磁通量子（SFQ）数字电路最容易生成的那种。
通量量子比特与计算量子比特的协同设计 要理解这个方案为什么能work，得先搞清楚通量量子比特的特性。通量量子比特本质上是一个超导环，环里嵌着几个约瑟夫森结。当外部磁通偏置合适的时候，这个环可以处于两个不同的环流状态——顺时针环流和逆时针环流，这两个状态编码量子比特的|0⟩和|1⟩。这种量子比特的特点是：它的量子信息直接对应宏观电流方向，特别容易被“读取”。但缺点是相干时间通常不如那种基于光子模式的量子比特，比如transmon或者所谓的“计算量子比特”。
诺思罗普·格鲁曼团队的做法是“让专业的量子比特干专业的事”：计算量子比特负责长时间保存量子信息，通量量子比特只在需要制备或者读取的那一刻出来“打工”。计算量子比特的光子模式频率大约在7GHz左右，FQ上甜点频率则被设计在远高于CQ的位置。在闲置状态下，两者频率差很大，混合微弱，所以CQ能保持住自己的相干性。而读取时，通过改变α通量对FQ进行annealing，让FQ的频率从高处往下扫，在某个特定通量点与CQ发生共振，形成一个1到2GHz大小的避免交叉（anti-crossing），也就是所谓的交换间隙（swap gap）。
系统在这个扫描过程中走的是绝热路径：如果扫描速度足够慢（相对于交换间隙的大小），系统会始终停留在同一个本征态上，不会发生能级间的跃迁。这样一来，原本呆在CQ里的光子激发态，就顺顺当当地变成了FQ里的激发态。继续扫描到双阱区域后，FQ的势垒逐渐升高，激发态就被“锁”进了左边或者右边的环流阱里，变成持续存在的宏观环流。整个过程就像把一杯水从一个容器倒进另一个容器再冻成冰块，水还是那些水，但形态完全变了。这时，外面只要用一个灵敏的磁通传感器就能探测到环流方向，再也不用放大那个微弱到不行的微波光子信号了。
有趣的是，态制备恰好是读取的逆过程——论文里称之为快速绝热穿越制备（Rapid Adiabatic Passage preparation，简称RAP prep）。制备|1⟩态时，先把FQannealing到双阱区，让基态投影到左边阱（|L⟩），然后施加一个Δ通量脉冲把势阱倾斜，让|L⟩变成高能态，再反向annealing（也就是从双阱回到单阱），这个高能态的粒子就会随着势垒的降低“被迫”变成一个光子，并通过交换间隙传给CQ。于是，CQ就得到了一个|1⟩态。
这个方法最大的优点是它对CQ的具体频率完全不敏感，只要CQ频率落在FQ最小间隙和上甜点之间的范围内就行。这就意味着，在调节CQ频率时不需要重新校准制备和读取参数。用微波方案做制备和读取时，你得精心校准微波脉冲的频率、相位、幅度包络、DRAG参数等等一大堆东西，稍微有点漂移就可能出错。而这里只需要保证磁通脉冲的几个参数落在很宽的工作窗口内就行。论文里说这个窗口大约有10mΦ₀宽，在磁通噪声环境下已经是相当宽松的容差了。
10纳秒级高保真度读取与制备的实现 能把原理说得这么顺溜，但真正的功夫都在那些“细节的魔鬼”里。做绝热读取最怕的就是两种错误：扫描太快导致非绝热跃迁（朗道-齐纳错误），或者扫描太慢导致激发态在读取过程中衰减掉了。这两个时间尺度就像天平的两端，必须找到最佳平衡点。论文中给出了一个很有意思的分析：扫描时间短于5纳秒时，读取错误主要由朗道-齐纳跃迁主导，错误率随扫描时间的增加呈指数下降，其特征时间常数τ_LZ约为1.5纳秒。而扫描时间超过100纳秒后，激发态衰减开始成为主要错误来源，特征时间常数τ_D对应着FQ寿命和双能级系统（TLS）耦合的综合效应。最优的annealing时间出现在大约10纳秒的位置，正好平衡了这两方面的误差。
更值得一提的是，除了制备|0⟩和|1⟩这两个基态，他们还能用RAP prep直接制备相干叠加态。方法是在反向annealing过程中把Δ通量设置为零——也就是让双阱势阱完全对称（简并点）——此时系统处于简并状态，在撤掉势垒的时候，激发态会以量子力学的方式均匀地“分裂”到两个能级上。整个过程非常快，远小于任何残余无微波的量子态操控：超导量子比特SPAM技术革新 看到这里，很多读者的第一反应可能是：去掉微波，听起来省事，但代价是什么？毕竟传统色散读取技术已经打磨了二十年，无论是理论还是工程都相当成熟。本论文给出的答案是：不但不牺牲性能，反而把速度和扩展性一起提升了。
这里需要先解释一下，为什么“无微波”这件事对超导量子计算如此重要。传统方案里，量子比特的控制和读取都依赖频率在千兆赫兹级别的微波脉冲。微波信号得从室温电子学设备一路通过同轴线缆送进稀释制冷机的极低温层，每一根线缆都往冷盘上引入热量，还会带来噪声、串扰和布线的物理空间限制。当量子芯片只有十几个比特时，这套方案尚可接受；一旦想要扩展到几千甚至上百万比特，线缆数量就会变成一堵迈不过去的墙。
业界的共识是，大规模超导量子计算最终需要把经典控制电路也搬到低温环境里，和量子处理器放在同一个封装内。然而，现有的低温数字控制方案，比如基于超导单磁通量子（Superconducting Single-Flux-Quantum，简称SFQ）逻辑的电路，擅长产生的是磁通脉冲和数字信号，而不是精细成型的微波脉冲。换句话说，传统方案里“用量子比特必须有微波”这个前提，恰恰是低温全数字化控制的拦路虎。本论文最核心的价值，就是把这个前提直接推翻，展示了只用磁通斜坡信号就能完成高保真度的态制备与测量。这样的设计天然和SFQ生态兼容，为整条测控链路的低温化扫清了最关键的一个障碍。
通量量子比特与计算量子比特的协同设计 要真正读懂这套SPAM架构，关键不在于单个量子比特本身，而在于两个量子比特之间精妙的“分工”。计算量子比特（Computational Qubit，简称CQ）负责高相干地存储量子信息，它的相干时间可以做到几十微秒量级；通量量子比特（Flux Qubit，简称FQ）则扮演一个“传感器+换能器”的角色，它把CQ里微弱的量子态信息，转变成宏观的经典环流信号。让两者在频率上高度失谐，CQ干活时FQ保持“静默”；需要在读取或制备时，再通过磁通把两个量子比特扫进共振，完成绝热交换。这种“平时互不打扰、用时精准对接”的设计，是整套方法能够兼顾高保真度和长相干时间的核心秘诀。
要想让上述过程在10纳秒内高保真地完成，器件的参数必须经过精密设计。CQ与FQ之间的耦合强度、交换间隙的大小、FQ在最小能级间隙附近的势垒形状，这些参数共同决定了一个关键指标——朗道-齐纳特征时间（用τLZ表示）。为了让整个物理设计可预测、可优化，论文使用了电路量子电动力学框架下的哈密顿量模型去模拟器件行为，仿真结果与实际测得的频谱高度吻合。
上面的公式是本论文进行所有数值模拟的基础哈密顿量。粗看有些复杂，但拆开来看并不难理解：第一项代表电路中的电容充电能量，其中C⁻¹ 是电容矩阵的逆矩阵，n 是电荷算符；第二项代表超导环路中的电感能量，M 是电路环路拓扑相关的变换矩阵，φ 是节点相位算符，α 是外加磁通参数；第三项表示各个约瑟夫森结的贡献，其中Icj 是第j 个结的临界电流。通过把α和Δ这两个磁通控制参数代入模型，就能算出整个SPAM过程中能级如何演化、交换间隙和最小间隙分别在哪里、需要多快的扫描速度才不会激发到错误的能级。
图S1：哈密顿量模拟的电路原理图。可以看到，模拟出的能谱（虚线）与实验测得的探针光谱（背景色）高度一致，这证明仿真模型能准确预测器件的量子行为。有了这个可信赖的模型，设计团队就能在流片之前对各种参数组合进行“虚拟实验”，大幅减少试错的成本和时间。
10纳秒级高保真度读取与制备的实现 前面提到制备|1⟩态可以用RAP方案来实现。如果把RAP制备过程稍作变形，在反向扫描时将Δ通量设置为零，也就是让FQ的双阱势能保持完全对称，那么激发态在势垒撤掉时就会以量子相干的方式同时“分裂”到|0⟩和|1⟩两个能级上，直接把CQ制备到一个叠加态。整个过程大概10纳秒，比量子比特在任何残余能级分裂下演化的时间尺度还短得多，因此在“突然近似”下，FQ的环流态会自然地映射为CQ的相干叠加态。这相当于在布洛赫球上直接把量子比特初始化到X轴方向，也就是制备|X⟩态。测量的时候，只要在FQ处于简并点的位置执行annealing，就能直接在X基下完成读取，不需要额外加任何微波操作。
图3：叠加态的制备。图中(C)展示了一个典型的拉姆齐振荡实验：先把CQ制备到X轴，等待一段时间后再沿X轴读取。振荡信号的包络衰减给出了CQ的退相干时间T₂∗约为24微秒，振荡频率对应CQ在7GHz附近的能级间距。这说明虽然CQ与FQ之间存在强耦合，但由于闲置时两者频率相距很远，CQ依然保持良好的相干性。
这套制备叠加态的能力还带来了一个额外好处：无微波光谱学。传统上要测量量子比特的频率，必须用微波探针去激发它；而本论文中，只要用RAP把CQ制备到X叠加态，再在X基下读取，就能通过拉姆齐振荡的频率直接反推出CQ的能级间距。整个测量过程可以完全不用微波，这让量子比特的快速表征变得极其方便。科研人员在调试器件时，直接把CQ的频率扫描一遍，就能快速画出能谱、测量T₁、T₂∗等关键参数，比传统方法省掉大量微波校准工作。
那么，10纳秒这个时间是怎么定下来的？这就涉及到SPAM误差的两个来源的权衡。一个是“扫得太快”导致的朗道-齐纳跃迁误差，特征时间常数τLZ大约1.5纳秒；另一个是“扫得太慢”导致的激发态衰减误差，特征时间常数τD反映FQ自身寿命和与二能级系统缺陷（Two-Level System，简称TLS）耦合的综合影响。如果annealing时间太短，系统来不及完全绝热演化，容易从目标能级“泄漏”到其他能级；如果太长，激发态在读取过程中就已经衰变掉了，信息随之丢失。10纳秒正是这两个相反趋势的交汇点。
图S3：通量量子比特退火过程中的TLS损耗。图中曲线展示了annealing过程中量子比特能量衰减率随α通量的变化。在CQ和FQ交换发生的区域附近，模式与材料中的二能级缺陷（TLS）发生强烈耦合，形成额外的衰减通道。这解释了为什么annealing时间太长会带来额外误差——系统在频率大幅扫动的过程中，可能撞上某个TLS并发生能量转移。而扫描越快，在共振点附近停留的时间越短，越不容易“被TLS抓住”。
量子到数字的快速转换：SFQ兼容架构 FQ把CQ的量子态转成了约100纳安的经典环流。这个电流信号虽然可探测，但还不足以直接驱动标准SFQ数字逻辑的门限。为了把信号放大到数字电路能识别的电平，论文在FQ下游串接了两级“量子磁通参变器”（Quantum Flux Parametron，简称QFP）。QFP本质上是一个超灵敏的磁通比较器：FQ环流方向的微小差异会改变QFP的势阱倾斜方向，让QFP在annealing时倒向左边或右边，从而把输入的磁通信号放大一个数量级。每一级QFP的临界电流都比上一级大十倍，于是信号逐级增强，最终达到足以驱动模数转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC）的电平。
这里有一个关键设计：FQ在工作时必须把Δ偏置限制在第一个MRT窗口内，以区分|0⟩和|1⟩对应的不同环流方向；而QFP不需要区分量子态，它始终工作在基态，因此可以承受大得多的信号偏置而不产生错误。更大的偏置意味着更高的最小间隙频率，QFP就可以用更快的速度annealing而不会发生朗道-齐纳跃迁。实验数据显示，两级QFP链的读取误差低至10⁻⁵量级，单级annealing时间小于2.5纳秒。
图4：片上逻辑的信号放大。完整的链路是：CQ的量子态 → FQ转成环流 → QFP1放大 → QFP2再放大 → ADC数字化。整条链路的转化时间只有15纳秒，比传统基于微波的色散读取快一个数量级。而且，一旦变成数字信号，后续的逻辑运算、缓存和纠错处理都可以在低温数字电路里完成，不再需要把微弱模拟信号送到室温去处理，这将大幅减少量子计算机的I/O线缆数量。
值得注意的是，QFP级联还有一个不可忽视的好处——隔离。FQ与数字电路之间如果直接耦合，数字部分工作时的开关噪声和各种耗散元件会反作用于量子比特，破坏相干性。QFP在量子操作期间可以保持低灵敏度状态，相当于在量子处理器和数字逻辑之间插入了一道噪声隔离墙；只有需要读取的那一刻才被激活，执行快速放大任务。这种“平时隔离、用时导通”的特性，是SFQ测控架构能够实用化的关键设计。
从282个器件看技术的可扩展性与鲁棒性 单颗器件的漂亮数据在量子计算论文里并不罕见，真正让这篇论文更有分量的，是它的样本量。团队对来自六个不同制造批次的282颗器件进行了系统测试，SPAM保真度分布在接近99%的水平，最优器件的保真度达到99.7%。这和许多只在几颗精选器件上演示的实验形成了鲜明对比，说明该方法对工艺波动有较强的容忍度，不是只在实验室里“碰运气”才能work。
这种鲁棒性从何而来？关键在于整个SPAM流程对控制参数不敏感。首先，读取时的Δ偏置窗口宽度约10mΦ₀，在磁通噪声环境下这个范围相当宽裕，控制线路不需要极其苛刻的精度；其次，RAP制备和读取对CQ的具体频率完全不敏感，只要CQ频率落在FQ的最小间隙和上甜点频率之间，同一套校准参数就可以直接使用。这意味着量子比特频率即使因为工艺波动而变化，也不需要重新校准SPAM参数。最后，annealing时间在5到100纳秒之间都能保持较低的SPAM误差，10纳秒只是最优值而非唯一可用值。这些宽裕的控制容差，正是工程上大规模部署最需要的东西。
图S2：更高激发态的通量量子比特读取。这张补充材料图揭示了一个非常有趣的现象：通过调整Δ通量到不同的MRT窗口，系统可以选择性地读取CQ的不同激发态。图中(C)展示了将CQ制备到|2⟩态后的多态动力学，对应的T₁达到了50微秒。这意味着这套SPAM方案不只适用于二能级量子比特，还天然支持高阶能级的读取，为未来使用量子比特的高能级来做量子信息处理提供了可能。论文中利用林德布拉德主方程对时间动力学进行了拟合，模拟和实验的良好吻合再次验证了模型的准确性。
未来展望：迈向大规模超导量子计算系统 这项工作的意义不能只看“10纳秒”和“99.7%”这两个数字，更值得关注的是它描绘了一幅超导量子计算机的完整架构蓝图：量子处理器芯片与SFQ数字控制电路共同封装在极低温环境中，FQ负责量子态到经典环流的转换，QFP链负责隔离与放大，ADC负责数字化，SFQ逻辑负责后续的反馈和控制。量子信息从产生到处理再到读取，全程都不需要离开低温恒温器，也不需要进入室温微波机箱走一个来回。
当然，距离这个蓝图真正落地还有不少路要走。当前约99%到99.7%的SPAM保真度虽然远高于传统方案的读取速度，但对于表面码等量子纠错协议来说，读取错误率通常需要压到10⁻³甚至更低。好在论文展示的误差主要由朗道-齐纳跃迁和退相干两个已知机制限制，后续可以通过增大交换间隙、优化FQ寿命、改进TLS环境等途径进一步提升。团队在补充材料中也对更高激发态的读取进行了演示，说明这套方案还有继续挖掘性能的空间。
还有一个值得关注的方向是低温数字反馈。传统量子纠错中，测量完量子比特后必须快速判断错误类型并施加相应的纠正操作。如果测量结果要送出稀释制冷机，经过室温电子学处理后再送回芯片，延迟往往达到数百纳秒甚至微秒量级，远超量子比特的相干时间。而在这套全低温架构中，FQ到数字信号的转换只要15纳秒，这意味着实时反馈控制在时间上变得可行。未来一旦把量子门、读取、放大、数字化和反馈逻辑全部集成到同一块低温芯片上，超导量子计算的扩展瓶颈将被大幅削弱。
从工业界的角度看，诺思罗普·格鲁曼长期深耕SFQ超导数字电路技术，本次工作等于把自家的两棵技术树——超导数字逻辑和超导量子比特——嫁接到了一起。这种“从系统架构出发倒推器件设计”的思路，和目前主流量子计算公司“先做比特再做纠错”的路径有本质区别，可能会在未来的架构竞争中形成独特优势。
龙迷三问 这篇论文到底在解决什么问题？ 诺思罗普·格鲁曼团队提出无微波超导量子比特制备与测量方案，利用通量量子比特绝热交换与读出，10纳秒内实现超99%保真度，282个器件验证，兼容SFQ数字控制，15纳秒完成量子到数字转换，比现有技术快一个数量级。这篇工作最值得看的点是什么？ 论文展示了在282个量子比特上，态制备与测量保真度接近99%，最优读取时间约10ns，最佳器件保真度达99.7%。通过量子通量参变放大器实现15ns的完整量子到数字转换，比现有微波技术快一个数量级。这篇工作的边界或风险在哪里？ 优点：1) 完全无微波的态制备与测量方案，消除了微波信号耦合需求；2) 与SFQ数字控制系统完全兼容，有利于大规模集成；3) 操作速度快（10ns），比现有技术快一个数量级；4) 控制裕度宽，对CQ频率不敏感，简化校准过程；5) 支持相干叠加态的制备与测量。缺点：1) 通量量子比特的相干时间相对较短，可能影响整体系统性能；2) 需要精确控制通量偏置和退火时序；3) 对强耦合二能级系统缺陷敏感，导致部分器件性能下降。如果你还有哪些想要了解的，欢迎在评论区留言或者讨论~
龙哥点评
论文创新性分数： ★★★★☆
利用通量量子比特与计算量子比特的强耦合，通过绝热交换和通量退火实现快速、无微波的量子态制备与测量。实验合理度： ★★★☆☆
现有材料未完整覆盖数据划分、基线公平性和统计显著性，因此按中性评价处理。学术研究价值： ★★★★☆
利用通量量子比特与计算量子比特的强耦合，通过绝热交换和通量退火实现快速、无微波的量子态制备与测量；更关键的是问题定义是否可复用到同类任务。稳定性： ★★★☆☆
现有材料未提供充分的极端条件、重复运行或扰动测试，稳定性暂按中性评价。适应性以及泛化能力： ★★★☆☆
现有材料未完整展示跨数据集、跨场景或分布外实验，泛化能力仍需进一步验证。硬件需求及成本： ★★★☆☆
现有材料缺少完整训练资源、参数量、显存和推理时延信息，成本暂按中性评价。复现难度： ★★★☆☆
现有材料未确认完整代码、配置、数据处理脚本和权重是否齐备，复现难度暂按中性评价。产品化成熟度： ★★★☆☆
论文验证以研究实验为主，真实部署中的时延、成本、维护和异常场景仍需补充验证。可能的问题： 1) 通量量子比特的相干时间相对较短，可能影响整体系统性能；
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