Nature：麻省理工人造「巨型原子」問(wèn)世，量子處理和量子通信合二為一

一直以來(lái)，量子計算機都是一個(gè)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(shuō)：如果傳統計算機的速度是「自行車(chē)」，那么量子計算機的速度就是「飛機」。量子計算機的極高運算速度源于奇妙的量子特性。傳統計算機的基礎是比特：一切都是「0」或「1」。量子計算機使用量子比特，它既可以是「0」，也可以是「1」。

就憑這點(diǎn)，量子計算機完勝傳統計算機。

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

「量子計算機的主要挑戰之一，是使量子比特不在同一位置時(shí)能交互?！孤槭±砉W(xué)院電子研究實(shí)驗室主任、電子工程與計算機科學(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，該如何遠處連接的量子比特在遠處交互呢？」

答案在于反常的光-物質(zhì)相互作用。

光子-原子量子結構

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，一直都被廣泛研究。

哈佛物理學(xué)教授埃文斯曾說(shuō)：「設計一個(gè)相互作用非常強的系統并不難，但是其中隨之產(chǎn)生的、與環(huán)境強烈的相互作用也會(huì )導致噪音和干擾。因此，你必須讓系統環(huán)境極其純凈，但這是一個(gè)巨大的挑戰，因為我們選擇在一個(gè)完全不同的運作機制下進(jìn)行實(shí)驗。我們選用光子的原因，是因為它與一切物質(zhì)的相互作用都很微弱?！?/p>

與光的波長(cháng)相比，天然原子小，且呈點(diǎn)狀。但超導的「人造原子」不會(huì )這樣。

用可見(jiàn)光和微波來(lái)驅使它們發(fā)出攜帶量子信息的光子，可以保護量子比特中的信息。

此外，即使沒(méi)有光子從巨大的原子中釋放出來(lái)，沿著(zhù)波導的多個(gè)量子比特仍然能夠相互作用來(lái)執行操作。

巨型人造原子？它是可調節的

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，人造原子實(shí)際上是一個(gè)超導電路，只是它們的表現得像一個(gè)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(guò)發(fā)光的方式將能量釋放出去。

據此，研究人員構造了「巨型原子」。兩個(gè)超導量子比特充當巨大的人造原子。這些 「原子」受到保護，不會(huì )被退相干，但仍然通過(guò)波導相互作用

這種「巨型原子」的特殊性在于，它是可調節的。研究人員可以調整量子比特-波導（即電磁波導）相互作用的強度。這樣一來(lái)，利用波導加速，脆弱的量子比特就可以在執行高保真操作時(shí)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，量子比特與波導耦合（相互作用、相互影響）的強度就會(huì )重新調整，量子比特就能夠以光子的形式將量子數據釋放到波導中。

「將量子比特耦合到波導通常對量子比特操作非常不利，因為這樣做會(huì )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(gè)處理器中釋放和傳輸量子信息，波導又是必不可少的。在這里，我們證明了即使量子比特與波導強耦合，也有可能保持它的相干性。然后我們就有能力決定什么時(shí)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(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉與波導的相互作用?！?/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(shuō)，這代表了一種新的光-物質(zhì)相互作用機制。由于「巨型原子」本質(zhì)上是電路，當與波導耦合時(shí)，與之相互作用的微波波長(cháng)一樣大的結構。

通過(guò)「巨型原子」可以執行低誤差量子計算，同時(shí)還可以在處理器之間快速共享量子通訊信息。這項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。

據研究人員觀(guān)察，并入巨型原子的量子比特的相干時(shí)間大約為30微秒，這意味著(zhù)量子比特保持在量子狀態(tài)的時(shí)間，與未耦合到波導的量子比特的相干時(shí)間幾乎相同，而波導的耦合時(shí)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耦合波導的量子比特引用雙量子比特保真度。因為在這種結構中，使用傳統小原子進(jìn)行此類(lèi)操作的保真度通常很低。

實(shí)驗裝置

Kannan還表示，通過(guò)更多的校準、操作調整程序和優(yōu)化的硬件設計，保真度可以進(jìn)一步提高。