麻省理工學(xué)院的研究人員介紹了一種量子計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)可以執(zhí)行低誤差量子計(jì)算，同時(shí)還可以在處理器之間快速共享量子信息。這項(xiàng)工作是向完整的量子計(jì)算平臺(tái)邁出的關(guān)鍵一步。

在此發(fā)現(xiàn)之前，小規(guī)模量子處理器已經(jīng)成功地以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快幾倍的速度執(zhí)行了任務(wù)。但是，很難在處理器的遠(yuǎn)處之間可控制地傳遞量子信息。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，有線互連用于在計(jì)算過(guò)程中在整個(gè)處理器中來(lái)回路由信息。但是，在量子計(jì)算機(jī)中，信息本身是量子機(jī)械的且易碎的，因此需要從根本上采用新的策略在芯片上同時(shí)處理和傳遞量子信息。

麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究員，電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授威廉·奧利弗(William Oliver)表示：“縮放量子計(jì)算機(jī)的主要挑戰(zhàn)之一是使量子位不在同一位置時(shí)能夠相互交互。”電子研究實(shí)驗(yàn)室主任。“例如，最近的量子位可以很容易地進(jìn)行交互，但是我該如何使連接量子位在遠(yuǎn)處的'量子互連'呢?”

答案在于超越常規(guī)的光-物質(zhì)相互作用。

盡管天然原子相對(duì)于與它們相互作用的光的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是很小的且呈點(diǎn)狀，但在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員表明，超導(dǎo)“人造原子”不需要如此。取而代之的是，他們從以可調(diào)結(jié)構(gòu)連接到微波傳輸線或波導(dǎo)的超導(dǎo)量子位或量子位構(gòu)造了“巨原子” 。

這使研究人員可以調(diào)整量子位-波導(dǎo)相互作用的強(qiáng)度，從而可以保護(hù)脆弱的量子位免受退相干或波導(dǎo)管在執(zhí)行高保真操作時(shí)可能會(huì)加速的自然衰減。一旦執(zhí)行了這些計(jì)算，量子位-波導(dǎo)耦合的強(qiáng)度就會(huì)重新調(diào)整，并且量子位能夠以光子或光粒子的形式將量子數(shù)據(jù)釋放到波導(dǎo)中。

麻省理工學(xué)院研究生和論文的第一作者巴拉特·坎南說(shuō)：“將量子位耦合到波導(dǎo)通常對(duì)量子位操作非常不利，因?yàn)檫@樣做會(huì)大大降低量子位的壽命。” “但是，為了在整個(gè)處理器中釋放和路由量子信息，波導(dǎo)是必不可少的。在這里，我們證明了即使量子位與波導(dǎo)牢固耦合，也可以保留其量子相干性。然后，我們就有能力確定我們何時(shí)要釋放存儲(chǔ)在量子位中的信息。我們已經(jīng)展示了如何使用巨型原子來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉與波導(dǎo)的交互。”

研究人員說(shuō)，由研究人員實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)代表了一種新的光-物質(zhì)相互作用機(jī)制。與將原子視為小于與它們相互作用的光的波長(zhǎng)的點(diǎn)狀對(duì)象的模型不同，超導(dǎo)量子位或人造原子本質(zhì)上是大型電路。當(dāng)與波導(dǎo)耦合時(shí)，它們形成與它們相互作用的微波波長(zhǎng)一樣大的結(jié)構(gòu)。

巨型原子在沿波導(dǎo)的多個(gè)位置以微波光子的形式發(fā)射其信息，從而使光子相互干擾?？梢哉{(diào)整此過(guò)程以完成破壞性干擾，這意味著qubit中的信息受到保護(hù)。此外，即使實(shí)際上沒(méi)有從巨型原子釋放光子，沿波導(dǎo)的多個(gè)量子位仍然能夠彼此交互以執(zhí)行操作。在整個(gè)過(guò)程中，量子位保持與波導(dǎo)的牢固耦合，但是由于這種類(lèi)型的量子干擾，它們可以保持不受波導(dǎo)管的影響，并受到退相干的保護(hù)，而高保真地執(zhí)行單量子位和二量子位操作。

“我們利用巨型原子啟用的量子干擾效應(yīng)來(lái)防止量子位在需要它之前將其量子信息發(fā)射到波導(dǎo)。” 奧利弗說(shuō)。

坎南說(shuō)：“這使我們能夠?qū)嶒?yàn)性地探索一種新的物理機(jī)制，而這是自然原子難以達(dá)到的。” “巨大原子的作用非常干凈，易于觀察和理解。”

坎南補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)工作似乎具有進(jìn)一步研究的巨大潛力。

“我認(rèn)為驚奇之一實(shí)際上是超導(dǎo)量子位能夠相對(duì)容易地進(jìn)入這個(gè)巨大的原子態(tài)。” 他說(shuō)。“我們采用的技巧相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，可以想象將其用于其他應(yīng)用程序而不會(huì)產(chǎn)生大量額外開(kāi)銷(xiāo)。”

納入巨型原子的量子比特的相干時(shí)間，即它們保持在量子狀態(tài)的時(shí)間，大約為30微秒，與未耦合到波導(dǎo)的量子比特的相干時(shí)間幾乎相同，其范圍在10到100微秒之間。給研究人員。

此外，研究表明，保真度為94%的兩個(gè)量子糾纏操作。這代表研究人員首次對(duì)與波導(dǎo)牢固耦合的量子位引用兩個(gè)量子位的保真度，因?yàn)樵谶@種架構(gòu)中使用常規(guī)小原子進(jìn)行此類(lèi)操作的保真度通常較低。Kannan說(shuō)，通過(guò)更多的校準(zhǔn)，操作調(diào)整程序和優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高保真度。