「巨型原子」使量子處理和通信成為一體

麻省理工學院的研究人員介紹了一種量子計算架構，該架構可以執行低錯誤量子計算，同時還可以在處理器之間快速共享量子信息。這項工作是向完整的量子計算平臺邁出的關鍵一步。

在此發現之前，小規模量子處理器已經成功地以比傳統計算機快幾倍的速度執行了任務。但是，很難在處理器的遠處之間可控制地傳遞量子信息。在經典計算機中，有線互連用於在計算過程中在整個處理器中來迴路由信息。但是，在量子計算機中，信息本身是量子力學的且易碎的，因此需要從根本上採用新的策略在晶片上同時處理和傳遞量子信息。

麻省理工學院林肯實驗室研究員，電氣工程與計算機科學副教授威廉·奧利弗（William Oliver）表示：「縮放量子計算機的主要挑戰之一是使量子位不在同一位置時能夠相互交互。」電子研究實驗室主任。「例如，最近的量子位可以很容易地進行交互，但是我該如何使連接量子位在遠處的&39;呢？」

答案在於超越常規的光-物質相互作用。

儘管自然原子相對於與它們相互作用的光的波長來說很小，並且呈點狀，但在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，研究人員表明，超導「人造原子」不需要如此。取而代之的是，他們從以可調結構連接到微波傳輸線或波導的超導量子位或量子位構造了「巨原子」 。

這使研究人員可以調整量子位-波導相互作用的強度，從而可以保護脆弱的量子位免受退相干或波導管在執行高保真操作時可能會加速的自然衰減。一旦執行了這些計算，量子位-波導耦合的強度就會重新調整，並且量子位能夠以光子或光粒子的形式將量子數據釋放到波導中。

麻省理工學院研究生和論文的第一作者巴拉特·坎南說：「將量子位耦合到波導通常對量子位操作非常不利，因為這樣做會大大降低量子位的壽命。」 「但是，為了在整個處理器中釋放和路由量子信息，波導是必不可少的。在這裡，我們已經證明，即使量子位與波導牢固耦合，也可以保留量子位的相干性。然後，我們就有能力確定我們何時要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打開和關閉與波導的交互。」

研究人員說，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。與將原子視為小於與它們相互作用的光的波長的點狀對象的模型不同，超導量子位或人造原子本質上是大型電路。當與波導耦合時，它們形成與它們相互作用的微波波長一樣大的結構。

巨型原子在沿波導的多個位置以微波光子的形式發射其信息，從而使光子相互幹擾。可以調整此過程以完成破壞性幹擾，這意味著qubit中的信息受到保護。此外，即使實際上沒有從巨型原子釋放光子，沿波導的多個量子位仍然能夠彼此交互以執行操作。整個過程中，量子位保持與波導的牢固耦合，但是由於這種類型的量子幹擾，它們可以保持不受波導管的影響，並受到退相干的保護，而高保真地執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幹擾效應來防止量子位在需要它之前將其量子信息發射到波導。」 奧利弗說。

坎南說：「這使我們能夠實驗性地探索一種新的物理機制，而這是自然原子難以達到的。」 「巨大原子的作用極其清潔，易於觀察和理解。」

坎南補充說，這項工作似乎具有進一步研究的巨大潛力。

「我認為驚奇之一實際上是超導量子位能夠相對容易地進入這個巨大的原子態。」 他說。「我們採用的技巧相對簡單，因此，可以想像將其用於其他應用程式而不會產生大量額外開銷。」

納入巨型原子的量子比特的相干時間，即它們保持在量子狀態的時間，大約為30微秒，對於未耦合到波導的量子比特，相干時間幾乎相同，其範圍在10到100微秒之間。給研究人員。

此外，研究表明，保真度為94％的兩個量子糾纏操作。這代表研究人員首次對與波導牢固耦合的量子位引用兩個量子位的保真度，因為在這種架構中使用常規小原子進行此類操作的保真度通常較低。Kannan說，通過更多的校準，操作調整程序和優化的硬體設計，可以進一步提高保真度。