麻省理工學院的研究人員介紹了一種量子計算架構(gòu)，該架構(gòu)可以執(zhí)行低誤差量子計算，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(fā)現(xiàn)之前，小規(guī)模量子處理器已經(jīng)成功地以比傳統(tǒng)計算機快幾倍的速度執(zhí)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(jīng)典計算機中，有線互連用于在計算過程中在整個處理器中來回路由信息。但是，在量子計算機中，信息本身是量子機械的且易碎的，因此需要從根本上采用新的策略在芯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，電子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(zhàn)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'量子互連'呢?”

答案在于超越常規(guī)的光-物質(zhì)相互作用。

盡管天然原子相對于與它們相互作用的光的波長來說是很小的且呈點狀，但在《自然》雜志上發(fā)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(diào)結(jié)構(gòu)連接到微波傳輸線或波導的超導量子位或量子位構(gòu)造了“巨原子” 。

這使研究人員可以調(diào)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(zhí)行高保真操作時可能會加速的自然衰減。一旦執(zhí)行了這些計算，量子位-波導耦合的強度就會重新調(diào)整，并且量子位能夠以光子或光粒子的形式將量子數(shù)據(jù)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。在這里，我們證明了即使量子位與波導牢固耦合，也可以保留其量子相干性。然后，我們就有能力確定我們何時要釋放存儲在量子位中的信息。我們已經(jīng)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(xiàn)的系統(tǒng)代表了一種新的光-物質(zhì)相互作用機制。與將原子視為小于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(zhì)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(jié)構(gòu)。

巨型原子在沿波導的多個位置以微波光子的形式發(fā)射其信息，從而使光子相互干擾?？梢哉{(diào)整此過程以完成破壞性干擾，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(zhí)行操作。在整個過程中，量子位保持與波導的牢固耦合，但是由于這種類型的量子干擾，它們可以保持不受波導管的影響，并受到退相干的保護，而高保真地執(zhí)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干擾效應來防止量子位在需要它之前將其量子信息發(fā)射到波導。” 奧利弗說。

坎南說：“這使我們能夠?qū)嶒炐缘靥剿饕环N新的物理機制，而這是自然原子難以達到的。” “巨大原子的作用非常干凈，易于觀察和理解。”

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(tài)。” 他說。“我們采用的技巧相對簡單，因此，可以想象將其用于其他應用程序而不會產(chǎn)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(tài)的時間，大約為30微秒，與未耦合到波導的量子比特的相干時間幾乎相同，其范圍在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(gòu)中使用常規(guī)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(diào)整程序和優(yōu)化的硬件設計，可以進一步提高保真度。