超导量子计算具有实用化发展前景，扩展比特规模和量子纠错是当前的重要目标，其中人们要求量子比特保持长时间相干特性，从而需要和环境的相互作用越小越好，但这样和量子比特的高保真度读取和重置矛盾。 如何在保持量子比特高相干性的前提下完成高保真度读取和重置，一直是制约超导量子计算发展的关键技术瓶颈，解决该问题将为量子纠错以及实现其他复杂量子算法提供技术基础。

　　近期，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03、G01组的超导量子计算研究团队设计和制备了一款集成可调滤波器的超导多量子比特芯片，并基于该芯片实验演示了对量子比特的高保真度读取和快速重置，同时保持了量子比特的高相干性。

　　研究团队将可调滤波器集成至超导多量子比特处理器中，形成了一种可扩展的系统架构。实验芯片共集成24个量子比特、38个耦合器与8个可调滤波器。通过动态调节滤波器带通频率，可以调整读取谐振腔的有效线宽，从而优化量子比特状态读取时的信噪比，并有效抑制闲置时段光子噪声对量子比特的干扰。在不依赖量子极限放大器的情况下，该方法实现了‌99.3%的读取保真度‌，超越了以往在类似条件下报道的多量子比特结果。该设计在小色散位移条件下可正常运行，有利于实现与紧凑、低噪声架构的兼容。此外，能够缓解泄漏错误的量子比特重置对于量子纠错至关重要。研究团队基于可调滤波器设计了一种无条件重置协议。利用滤波器构建快速耗散通道，实验实现了200纳秒内对|1⟩态和泄漏诱导的|2⟩态的无条件重置，以及75纳秒内仅对|1⟩态的重置，错误率都小于1%。与利用读取谐振腔进行耗散的已有方案相比，该方法显著缩短了重置时间，并减少了多量子比特系统中的串扰。实验还验证了可调滤波器在抑制由Purcell效应和光子噪声诱导的量子比特退相干方面的作用。

　　综上所述，该项工作提出并实验验证了一种面向超导多量子比特处理器的可调滤波器可扩展架构，能够支持量子比特的‌高保真度读取‌和‌快速无条件重置‌。研究表明，可调滤波器是一种极具前景的辅助硬件，对推动未来容错量子计算系统的发展具有重要意义。相关成果以”Flexible Readout and Unconditional Reset for Superconducting Multiqubit Processors with Tunable Purcell Filters”为题发表于《Physical Review Letters》期刊，并被选为编辑推荐文章。中国科学院物理研究所肖永熙、冯达尔为文章的共同第一作者，相忠诚，许凯，范桁为共同通讯作者。合作单位包括物理所、中国科学院大学、北京量子信息科学研究院、合肥国家实验室、松山湖材料实验室。工作得到了国家自然科学基金、量子科学与技术创新计划、北京市新星计划、中国博士后科学基金和中国科学院等资助。文章链接：https://doi.org/10.1103/vwrv-x1kr

图：可调滤波器的架构[(a)(b)]和性质[(c)(d)]