“巨型原子”将量子处理和通信合二为一

来自麻省理工学院（MIT）的研究人员介绍了一种量子计算体系，它可以执行低误差量子计算，同时在处理器之间快速共享量子信息。这项工作是迈向完整的量子计算平台的一项关键的进展。

在这项发现之前，小型量子处理器已经可成功地执行任务，其速度比传统计算器快一个指数级。然而，它却很难控制远程分离的处理器之间传送量子信息。在经典计算器中，有线互连用于在计算过程中引导消息在整个处理器中来回传送。然而，在量子计算器中，信息本身是量子化的，而且很脆弱，需要全新的策略去同时处理和传送芯片上量子信息。

William Oliver是电子工程和计算机科学系的副教授，麻省理工学院林肯实验室研究员以及电子研究实验室副主任。表示：“量子计算机扩展的主要挑战之一是当量子比特位不在同一位置时，它们还能够相互传递信息。例如，位置相近的量子位可以轻松交换信息，但如何连接距离较远的量子位从而建立‘量子间互联’?”

答案在于我们需超越传统的光与物质间的相互作用。自然的原子相比于它们相互作用的光波长来说，虽然小得可以忽略不计，但研究人员在《Nature》杂志上发表的一篇论文中表明，超导“人造原子”不一定如此。相反，他们用超导量子比特位(qubit)构建了"巨型原子"，这些量子比特位可以用可调节的方式连接到微波传输线或波导。

这使得研究人员能够调整量子比特和波导相互作用的强度，脆弱的量子比特就不会发生消相干或一种自然衰变。否则，当他们执行高保真操作时，这种衰变会在波导中加速发生。一旦这些计算得以实施，量子位与波导耦合的强度被重新调整，量子位能够以光子或光粒子的形式将量子数据传递到波导中。

麻省理工学院研究生、文章的第一作者Bharath Kannan说：“一般来讲，量子位与波导的耦合对量子位通信是不利的，因为这样做会显著缩短量子位的寿命。但是，为了在整个处理器中传递和引导量子信息，波导是必要的。在这里，我们已经表明,即使量子位与波导强烈的耦合，也能够保持量子位的相干性。这样我们就有能力确定何时要释放存储在量子位中的信息。我们已经展示了如何使用巨型原子来打开和关闭与波导的相互作用。”

研究人员说，他们的系统代表了光与物质相互作用的一个新领域。与将原子视为远小于其相互作用的光波长的点物质的模型不同，超导量子位或人造原子本质上是大电路。当与波导耦合时，它们会创建一个与它们相互作用的微波光波长一样大的结构。巨型原子在沿着波导的多个位置以微波光子的方式发送信息，这样会使光子之间相互干扰。这个过程可以被调整来完成相消干涉。这意味着量子位中的信息受到保护。此外，即使没有光子从巨型原子中释放，沿波导的多个量子位仍然能够相互作用来执行操作。

在整个过程中,量子位仍然与波导紧密耦合。但是由于这种类型的量子干扰，它们可以不受其影响，并且免受消相干。这样，单和双量子位操作就会保持高保真度执行。Oliver 说，“我们使用巨型原子作用下的的量子干扰效应，按照我们的需要控制量子位向波导发送量子信息。”

Kannan说:“这使我们能够用实验的方法来探索一种新的物理机制，这种物理机制是用自然原子难以达到的。巨型原子的效果非常明显,易于观察和理解。”Kannan补充说，“这项工作有很大的潜力，可以进行下一步的研究。我认为，其中一个惊喜的结果是超导量子位实际上能够相对容易地进入这个巨大的原子区域。我们使用的技巧相对简单，因此，可以想象在无需额外成本的情况下,将它应用于更多的领域。”研究人员称，纳入巨型原子的量子位的相干时间约为30微秒，意思是它们处于量子态的时间是30微妙，跟不耦合到波导的量子位时间几乎一样，在10到100微秒的范围。

此外，研究还演示了双量子位纠缠操作具有 94% 的保真度。这是研究人员首次引用双量子保真度的量子位，它们与波导强耦合，因为在这种体系下，用传统小原子这种操作的保真度往往很低。Kannan 说，通过更多的校准，操作程序的调整和硬件设计的优化，保真度还可以进一步提高。