科學(xué)家研發(fā)巨型量子，可使量子信息處理和量子通訊成為一體

一直以來，量子計算機(jī)都是一個神秘且「高大上」的存在。中國科學(xué)院院士潘建偉曾這樣打比方說：如果傳統(tǒng)計算機(jī)的速度是「自行車」，那么量子計算機(jī)的速度就是「飛機(jī)」。量子計算機(jī)的極高運(yùn)算速度源于奇妙的量子特性。傳統(tǒng)計算機(jī)的基礎(chǔ)是比特：一切都是「0」或「1」。量子計算機(jī)使用量子比特，它既可以是「0」，也可以是「1」。

就憑這點(diǎn)，量子計算機(jī)完勝傳統(tǒng)計算機(jī)。

但是，急性子的量子計算機(jī)卻有一個致命弱點(diǎn)———量子比特十分脆弱，一不留神，就會失去其特殊的量子特性。所以，就會經(jīng)常出錯，還可能在傳輸信息時迅速衰減。

「量子計算機(jī)的主要挑戰(zhàn)之一，是使量子比特不在同一位置時能交互?！孤槭±砉W(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室主任、電子工程與計算機(jī)科學(xué)教授William Olive表示，「例如，最近的量子比特可以很容易地交互，但是，該如何遠(yuǎn)處連接的量子比特在遠(yuǎn)處交互呢？」

答案在于反常的光-物質(zhì)相互作用。

光子-原子量子結(jié)構(gòu)

光與其他物質(zhì)之間的相互作用引起了各種各樣的物理反應(yīng)，一直都被廣泛研究。

哈佛物理學(xué)教授埃文斯曾說：「設(shè)計一個相互作用非常強(qiáng)的系統(tǒng)并不難，但是其中隨之產(chǎn)生的、與環(huán)境強(qiáng)烈的相互作用也會導(dǎo)致噪音和干擾。因此，你必須讓系統(tǒng)環(huán)境極其純凈，但這是一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冞x擇在一個完全不同的運(yùn)作機(jī)制下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們選用光子的原因，是因?yàn)樗c一切物質(zhì)的相互作用都很微弱。」

與光的波長相比，天然原子小，且呈點(diǎn)狀。但超導(dǎo)的「人造原子」不會這樣。

用可見光和微波來驅(qū)使它們發(fā)出攜帶量子信息的光子，可以保護(hù)量子比特中的信息。

此外，即使沒有光子從巨大的原子中釋放出來，沿著波導(dǎo)的多個量子比特仍然能夠相互作用來執(zhí)行操作。

巨型人造原子？它是可調(diào)節(jié)的

簡單來說，人造原子實(shí)際上是一個超導(dǎo)電路，只是它們的表現(xiàn)得像一個原子。與天然原子一樣，它們也能得到電子，被激發(fā)，而后也能通過發(fā)光的方式將能量釋放出去。

據(jù)此，研究人員構(gòu)造了「巨型原子」。

兩個超導(dǎo)量子比特充當(dāng)巨大的人造原子。這些 「原子」受到保護(hù)，不會被退相干，但仍然通過波導(dǎo)相互作用

這種「巨型原子」的特殊性在于，它是可調(diào)節(jié)的。研究人員可以調(diào)整量子比特-波導(dǎo)（即電磁波導(dǎo)）相互作用的強(qiáng)度。這樣一來，利用波導(dǎo)加速，脆弱的量子比特就可以在執(zhí)行高保真操作時免受退相干或自然衰減的影響。

為什么要這么做呢？

一旦計算完成，量子比特與波導(dǎo)耦合（相互作用、相互影響）的強(qiáng)度就會重新調(diào)整，量子比特就能夠以光子的形式將量子數(shù)據(jù)釋放到波導(dǎo)中。

「將量子比特耦合到波導(dǎo)通常對量子比特操作非常不利，因?yàn)檫@樣做會大大縮短量子比特的壽命?！?麻省理工學(xué)院研究生、該論文第一作者Bharath Kannan表示， 「但是，為了在整個處理器中釋放和傳輸量子信息，波導(dǎo)又是必不可少的。在這里，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。然后我們就有能力決定什么時候釋放存儲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開啟和關(guān)閉與波導(dǎo)的相互作用?！?/p>

量子處理與量子通訊融為一體，2量子比特糾纏的保真度為94%

研究人員說，這代表了一種新的光-物質(zhì)相互作用機(jī)制。由于「巨型原子」本質(zhì)上是電路，當(dāng)與波導(dǎo)耦合時，與之相互作用的微波波長一樣大的結(jié)構(gòu)。

通過「巨型原子」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通訊信息。這項(xiàng)工作使量子信息處理和量子通訊成為一體，是向完整的量子平臺邁出的關(guān)鍵一步。

據(jù)研究人員觀察，并入巨型原子的量子比特的相干時間大約為30微秒，這意味著量子比特保持在量子狀態(tài)的時間，與未耦合到波導(dǎo)的量子比特的相干時間幾乎相同，而波導(dǎo)的耦合時間范圍在10到100微秒之間。

此外，該研究還演示了2量子比特糾纏的保真度為94%。這是研究人員首次為強(qiáng)耦合波導(dǎo)的量子比特引用雙量子比特保真度。因?yàn)樵谶@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。

實(shí)驗(yàn)裝置

Kannan還表示，通過更多的校準(zhǔn)、操作調(diào)整程序和優(yōu)化的硬件設(shè)計，保真度可以進(jìn)一步提高。
責(zé)編AJX