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圖片來(lái)源：Pixabay

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來(lái)源 麻省理工學(xué)院

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麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員介紹了一種量子計(jì)算架構(gòu)，它可以執(zhí)行低錯(cuò)誤的量子計(jì)算，同時(shí)在處理器之間快速共享量子信息。這項(xiàng)工作代表了邁向完整量子計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵一步。

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在這一發(fā)現(xiàn)之前，小型量子處理器執(zhí)行任務(wù)的速度已經(jīng)達(dá)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)的指數(shù)級(jí)倍數(shù)。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(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程中，在處理器中來(lái)回傳輸信息使用的是有線線路連接；然而在量子計(jì)算機(jī)中，信息本身是量子力學(xué)的，而且很脆弱，需要全新的策略來(lái)同時(shí)在芯片上處理和傳輸量子信息。

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MIT 電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授、林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT Lincoln Laboratory）研究員、電子研究實(shí)驗(yàn)室（Research Laboratory for Electronics）副主任 William Oliver 說(shuō)：“規(guī)模化量子計(jì)算機(jī)的主要挑戰(zhàn)之一是，當(dāng)量子位不在同一地點(diǎn)時(shí)，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(lái)連接較遠(yuǎn)位置的量子比特呢？”

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答案在于超越傳統(tǒng)的光-物質(zhì)相互作用。

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盡管天然的原子相對(duì)于它們相互作用的光波波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)很小，可以被視為點(diǎn)，但在一篇發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的論文中，研究人員指出，超導(dǎo)的“人造原子”并非如此。相反，他們用超導(dǎo)量子比特構(gòu)建了“巨型原子”，并以可調(diào)協(xié)的配置連接到微波傳輸線（即波導(dǎo)）上。

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這使得研究人員可以調(diào)整量子比特-波導(dǎo)相互作用的強(qiáng)度，這樣脆弱的量子比特就可以在執(zhí)行高保真操作時(shí)免受退相干影響，這是一種自然衰減，會(huì)使量子比特被波導(dǎo)加速。一旦這些計(jì)算完成，量子比特-波導(dǎo)耦合的強(qiáng)度就會(huì)被重新調(diào)整，量子比特能夠以光子的形式將量子數(shù)據(jù)釋放到波導(dǎo)中。

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MIT 研究生、該論文的第一作者 Bharath Kannan 說(shuō)：“將量子比特與波導(dǎo)耦合通常對(duì)量子比特操作非常不利，因?yàn)檫@樣做會(huì)大大縮短量子比特的壽命。然而，為了在整個(gè)處理器中釋放和傳輸量子信息，波導(dǎo)是必須的。本研究中，我們證明了即使量子比特與波導(dǎo)強(qiáng)耦合，也有可能保持它的相干性。然后我們就能夠決定什么時(shí)候釋放存儲(chǔ)在量子比特中的信息。我們已經(jīng)展示了如何使用巨型原子來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉與波導(dǎo)的相互作用?！?/p>

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研究人員說(shuō)，他們實(shí)現(xiàn)的這個(gè)系統(tǒng)展示了一種新的光-物質(zhì)相互作用機(jī)制。與將原子視為比它們所接觸光的波長(zhǎng)更小的點(diǎn)狀物體的模型不同，超導(dǎo)量子比特，或者說(shuō)人造原子，本質(zhì)上是大型電路。當(dāng)與波導(dǎo)耦合時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)，其尺寸與和它們相互作用的微波光的波長(zhǎng)相當(dāng)。

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這個(gè)巨型原子以微波光子的形式在波導(dǎo)的多個(gè)位置發(fā)射信息，這樣光子就會(huì)相互干涉。這個(gè)過(guò)程可以被調(diào)整成完全的破壞性干涉，這意味著量子比特中的信息是受保護(hù)的。此外，即使實(shí)際上沒(méi)有光子從巨型原子中釋放出來(lái)，沿著波導(dǎo)的多個(gè)量子比特仍然能夠相互作用來(lái)執(zhí)行操作。在整個(gè)過(guò)程中，量子比特仍然與波導(dǎo)保持強(qiáng)耦合，但由于這種類型的量子干涉，當(dāng)單量子比特和雙量子比特操作被高保真地執(zhí)行時(shí)，量子比特可以不受波導(dǎo)的影響，從而不受退相干的影響。

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Oliver 說(shuō)：“我們利用巨型原子產(chǎn)生的量子干涉效應(yīng)來(lái)阻止量子比特將它們的量子信息釋放到波導(dǎo)中，直到我們需要它為止?！?/p>

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Kannan 說(shuō)：“這讓我們能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索一種新的物理機(jī)制，而這種機(jī)制很難用天然原子來(lái)實(shí)現(xiàn)。巨型原子的作用非常清晰，很容易觀察和理解。”

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Kannan 補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)工作似乎有很大的潛力，值得進(jìn)一步的研究。

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他說(shuō)：“我認(rèn)為令人驚訝的是，超導(dǎo)量子比特能夠相對(duì)輕松地進(jìn)入這個(gè)巨型原子區(qū)域。我們使用的技巧相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，可以想象能在沒(méi)有大量額外開(kāi)銷的情況下將其用于進(jìn)一步的應(yīng)用?！?/p>

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研究人員表示，量子比特整合入巨型原子的相干時(shí)間，也就是它們保持在量子狀態(tài)的時(shí)間，大約為 30 微秒，與未耦合到波導(dǎo)的量子位元的相干時(shí)間幾乎相同，范圍在 10 到 100 微秒之間。

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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(dǎo)強(qiáng)耦合的量子比特實(shí)現(xiàn)雙量子比特的保真度，在這種結(jié)構(gòu)中使用傳統(tǒng)小原子進(jìn)行此類操作的保真度通常很低。Kannan說(shuō)，通過(guò)更多的校準(zhǔn)、操作調(diào)整程序和優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)，其保真度可以進(jìn)一步提高。

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原文鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/miot-ae072720.php?

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