MIT人造「巨型原子」誕生！量子處理與通訊融為一體 2量子比特糾纏保真度高達94%

2020-08-01 前瞻網

近日，麻省理工學院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進展！

MIT人造「巨型原子」誕生！量子處理與通訊融為一體 2量子比特糾纏保真度高達94%

在這一發現之前，小型量子處理器已經成功地以比經典計算機指數級快的速度執行了任務。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。在經典計算機中，有線互連用於在計算過程中在處理器中來迴路由信息。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通信量子信息。

電子工程與計算機科學副教授、麻省理工學院林肯實驗室研究員、電子研究實驗室副主任威廉·奧利弗（William Olive）說:「縮放量子計算機的主要挑戰之一是，當量子位不在同一位置時，如何使它們相互作用。」「例如，最鄰近的量子位元可以很容易地相互作用，但是我如何建立『量子互連』來連接遙遠位置的量子位元呢？」

答案在於超越傳統的光-物質相互作用。

在7月29日發表在《自然》雜誌上的論文中，自然原子相對於它們相互作用的光波波長來說是微小而呈點狀的，研究人員指出，超導的「人造原子」（artificial atoms）並不需要這樣。相反，他們用超導量子位元(或稱量子位元)構建了「巨型原子」，並以可調的配置連接到微波傳輸線(或稱波導)上。

MIT人造「巨型原子」誕生！量子處理與通訊融為一體 2量子比特糾纏保真度高達94%

這使得研究人員可以調整量子比特-波導（即電磁波導）相互作用的強度，這樣脆弱的量子位就可以在執行高保真操作時免受退相干或一種自然衰減的影響，否則就會被波導加速。一旦這些計算完成，量子位元與波導耦合的強度就會重新調整，量子位元就能夠以光子或光粒子的形式將量子數據釋放到波導中。

「將量子位元與波導耦合通常對量子位元操作非常不利，因為這樣做會大大縮短量子位元的壽命，」麻省理工學院研究員、該論文的第一作者Bharath Kannan說。然而，為了在整個處理器中釋放和路由量子信息，波導是必要的。「在這裡，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。然後我們就有能力決定什麼時候釋放存儲在量子位中的信息。我們已經展示了如何使用巨原子來開啟和關閉與波導的相互作用。」

研究人員說，這個由研究人員實現的系統代表了一種新的光-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——超導量子位元，或者說人造原子，本質上就像一個大型超導電路。當與波導結合時，它們會產生與它們相互作用的微波光的波長一樣大的結構。

這個巨大的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擾。這個過程可以被調整成完全的破壞性幹擾，這意味著量子位中的信息是受保護的。此外，即使沒有光子從巨大的原子中釋放出來，沿著波導的多個量子位仍然能夠相互作用來執行操作。在整個過程中，量子位元仍然與波導保持強耦合，但由於這種類型的量子幹涉，當單量子位元和雙量子位元操作被高保真地執行時，量子位元可以不受它的影響並免於退相干。

William Olive稱:「我們利用巨原子產生的量子幹涉效應來阻止量子位元將它們的量子信息發射到波導中，直到我們需要它為止。」Bharath Kannan表示:「這讓我們能夠通過實驗探索一種新的物理機制，而這種機制很難用自然原子來實現。」「巨原子的效應非常乾淨，很容易觀察和理解。」

Bharath Kannan還補充稱，這項工作似乎有很大的潛力進行進一步的研究。他說:「我認為令人驚訝的是，超導量子位能夠相對輕鬆地進入這個巨大的原子區域。」「我們使用的技巧相對簡單，因此，可以想像在沒有大量額外開銷的情況下將其用於進一步的應用。」

根據研究人員的研究，併入巨原子的量子位元的耦合時間，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，而波導的耦合時間範圍在10到100微秒之間。

此外，該研究還演示了兩量子位糾纏操作的超高保真度——達到了94%！這是研究人員首次為強耦合波導的量子位引用兩量子位保真度，因為在這種結構中，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，保真度可以進一步提高。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：https://phys.org/news/2020-07-giant-atoms-enable-quantum.html

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2529-9

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