Nature：「巨型原子」使晶片同時處理和收發量子信息成為可能

2020-08-30 半導體行業觀察

來源：轉載自公眾號「悅智網」，謝謝

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臺的關鍵一步。

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制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晶片上處理和傳輸量子信息。

MIT 電子工程與計算機科學副教授、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？」

答案在於超越傳統的光-物質相互作用。

儘管天然的原子相對於它們相互作用的光波波長來說很小，可以被視為點，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干影響，這是一種自然衰減，會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：「將量子比特與波導耦合通常對量子比特操作非常不利，因為這樣做會大大縮短量子比特的壽命。然而，為了在整個處理器中釋放和傳輸量子信息，波導是必須的。本研究中，我們證明了即使量子比特與波導強耦合，也有可能保持它的相干性。然後我們就能夠決定什麼時候釋放存儲在量子比特中的信息。我們已經展示了如何使用巨型原子來開啟和關閉與波導的相互作用。」

研究人員說，他們實現的這個系統展示了一種新的光-物質相互作用機制。與將原子視為比它們所接觸光的波長更小的點狀物體的模型不同，超導量子比特，或者說人造原子，本質上是大型電路。當與波導耦合時，它們會產生一種結構，其尺寸與和它們相互作用的微波光的波長相當。

這個巨型原子以微波光子的形式在波導的多個位置發射信息，這樣光子就會相互幹涉。這個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巨型原子中釋放出來，沿著波導的多個量子比特仍然能夠相互作用來執行操作。在整個過程中，量子比特仍然與波導保持強耦合，但由於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，從而不受退相干的影響。

Oliver說：「我們利用巨型原子產生的量子幹涉效應來阻止量子比特將它們的量子信息釋放到波導中，直到我們需要它為止。」

Kannan說：「這讓我們能夠通過實驗探索一種新的物理機制，而這種機制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：「我認為令人驚訝的是，超導量子比特能夠相對輕鬆地進入這個巨型原子區域。我們使用的技巧相對簡單，因此，可以想像能在沒有大量額外開銷的情況下將其用於進一步的應用。」

研究人員表示，量子比特整合入巨型原子的相干時間，也就是它們保持在量子狀態的時間，大約為30微秒，與未耦合到波導的量子位元的相干時間幾乎相同，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、操作調整程序和優化的硬體設計，其保真度可以進一步提高。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

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