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麻省理工學院（MIT）的研究人員介紹了一種量子計算架構，它可以執行低錯誤的量子計算，同時在處理器之間快速共享量子信息。這項工作代表了邁向完整量子計算平台的關(guan) 鍵一步。

在這一發現之前，小型量子處理器執行任務的速度已經達到經典計算機的指數級倍數。然而，在處理器的不同部分之間控製量子信息的通信一直很困難。在經典計算機的計算過程中，在處理器中來回傳(chuan) 輸信息使用的是有線線路連接；然而在量子計算機中，信息本身是量子力學的，而且很脆弱，需要全新的策略來同時在芯片上處理和傳(chuan) 輸量子信息。

MIT電子工程與(yu) 計算機科學副教授、林肯實驗室（MIT Lincoln Laboratory）研究員、電子研究實驗室（Research Laboratory for Electronics）副主任William Oliver說：“規模化量子計算機的主要挑戰之一是，當量子位不在同一地點時，如何使它們(men) 相互作用。例如，最鄰近的量子比特之間可以很容易地相互作用，但是我要如何建立‘量子互連’，來連接較遠位置的量子比特呢？”

答案在於(yu) 超越傳(chuan) 統的光-物質相互作用。

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盡管天然的原子相對於(yu) 它們(men) 相互作用的光波波長來說很小，可以被視為(wei) 點，但在一篇發表在《自然》（Nature）雜誌上的論文中，研究人員指出，超導的“人造原子”並非如此。相反，他們(men) 用超導量子比特構建了“巨型原子”，並以可調協的配置連接到微波傳(chuan) 輸線（即波導）上。

這使得研究人員可以調整量子比特-波導相互作用的強度，這樣脆弱的量子比特就可以在執行高保真操作時免受退相幹影響，這是一種自然衰減，會(hui) 使量子比特被波導加速。一旦這些計算完成，量子比特-波導耦合的強度就會(hui) 被重新調整，量子比特能夠以光子的形式將量子數據釋放到波導中。

MIT研究生、該論文的第一作者Bharath Kannan說：“將量子比特與(yu) 波導耦合通常對量子比特操作非常不利，因為(wei) 這樣做會(hui) 大大縮短量子比特的壽命。然而，為(wei) 了在整個(ge) 處理器中釋放和傳(chuan) 輸量子信息，波導是必須的。本研究中，我們(men) 證明了即使量子比特與(yu) 波導強耦合，也有可能保持它的相幹性。然後我們(men) 就能夠決(jue) 定什麽(me) 時候釋放存儲(chu) 在量子比特中的信息。我們(men) 已經展示了如何使用巨型原子來開啟和關(guan) 閉與(yu) 波導的相互作用。”

研究人員說，他們(men) 實現的這個(ge) 係統展示了一種新的光-物質相互作用機製。與(yu) 將原子視為(wei) 比它們(men) 所接觸光的波長更小的點狀物體(ti) 的模型不同，超導量子比特，或者說人造原子，本質上是大型電路。當與(yu) 波導耦合時，它們(men) 會(hui) 產(chan) 生一種結構，其尺寸與(yu) 和它們(men) 相互作用的微波光的波長相當。

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這個(ge) 巨型原子以微波光子的形式在波導的多個(ge) 位置發射信息，這樣光子就會(hui) 相互幹涉。這個(ge) 過程可以被調整成完全的破壞性幹涉，這意味著量子比特中的信息是受保護的。此外，即使實際上沒有光子從(cong) 巨型原子中釋放出來，沿著波導的多個(ge) 量子比特仍然能夠相互作用來執行操作。在整個(ge) 過程中，量子比特仍然與(yu) 波導保持強耦合，但由於(yu) 這種類型的量子幹涉，當單量子比特和雙量子比特操作被高保真地執行時，量子比特可以不受波導的影響，從(cong) 而不受退相幹的影響。

Oliver說：“我們(men) 利用巨型原子產(chan) 生的量子幹涉效應來阻止量子比特將它們(men) 的量子信息釋放到波導中，直到我們(men) 需要它為(wei) 止。”

Kannan說：“這讓我們(men) 能夠通過實驗探索一種新的物理機製，而這種機製很難用天然原子來實現。巨型原子的作用非常清晰，很容易觀察和理解。”

Kannan補充說，這項工作似乎有很大的潛力，值得進一步的研究。

他說：“我認為(wei) 令人驚訝的是，超導量子比特能夠相對輕鬆地進入這個(ge) 巨型原子區域。我們(men) 使用的技巧相對簡單，因此，可以想象能在沒有大量額外開銷的情況下將其用於(yu) 進一步的應用。”

研究人員表示，量子比特整合入巨型原子的相幹時間，也就是它們(men) 保持在量子狀態的時間，大約為(wei) 30微秒，與(yu) 未耦合到波導的量子位元的相幹時間幾乎相同，範圍在10到100微秒之間。

此外，該研究還證明雙量子比特的糾纏操作有94%的保真度。這是首次使用與(yu) 波導強耦合的量子比特實現雙量子比特的保真度，在這種結構中使用傳(chuan) 統小原子進行此類操作的保真度通常很低。Kannan說，通過更多的校準、操作調整程序和優(you) 化的硬件設計，其保真度可以進一步提高。

作者：Michaela Jarvis

翻譯：頁一

編輯：戚譯引

引進來源：麻省理工學院

引進鏈接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/miot-ae072720.php