“巨型原子”使量子处理和通信成为可能

麻省理工学院的研究人员介绍了一种量子计算架构，它可以执行低错误的量子计算，同时在处理器之间快速共享量子信息。这项工作代表了迈向完整量子计算平台的关键进展。

在这一发现之前，小型量子处理器已经成功地以比经典计算机指数级快的速度执行了任务。然而，在处理器的不同部分之间控制量子信息的通信一直很困难。在经典计算机中，有线互连用于在计算过程中在处理器中来回路由信息。然而，在量子计算机中，信息本身是量子力学的，而且很脆弱，需要全新的策略来同时在芯片上处理和通信量子信息。

电子工程与计算机科学副教授、麻省理工学院林肯实验室研究员、电子研究实验室副主任威廉·奥利弗说:“缩放量子计算机的主要挑战之一是，当量子位不在同一位置时，如何使它们相互作用。”“例如，最邻近的量子位元可以很容易地相互作用，但是我如何建立‘量子互连’来连接遥远位置的量子位元呢?”

答案在于超越传统的光-物质相互作用。

在今天发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文中，自然原子就其相互作用的光波波长而言，是微小的、点状的。研究人员指出，超导的“人造原子”并非如此。相反，他们用超导量子位元(或称量子位元)构建了“巨型原子”，并以可调的配置连接到微波传输线(或称波导)上。

这使得研究人员可以调整量子比特-波导相互作用的强度，这样脆弱的量子位就可以在执行高保真操作时免受退相干或一种自然衰减的影响，否则就会被波导加速。一旦这些计算完成，量子位元与波导耦合的强度就会重新调整，量子位元就能够以光子或光粒子的形式将量子数据释放到波导中。

“将量子位元与波导耦合通常对量子位元操作非常不利，因为这样做会大大缩短量子位元的寿命，”麻省理工学院研究员、该论文的第一作者Bharath Kannan说。然而，为了在整个处理器中释放和路由量子信息，波导是必要的。在这里，我们证明了即使量子比特与波导强耦合，也有可能保持它的相干性。然后我们就有能力决定什么时候释放存储在量子位中的信息。我们已经展示了如何使用巨原子来开启和关闭与波导的相互作用。”

研究人员说，这个由研究人员实现的系统代表了一种新的轻物质相互作用机制。与将原子视为比它们所接触光的波长更小的点状物体的模型不同，超导量子位元，或者说人造原子，本质上是大型电路。当与波导结合时，它们会产生与它们相互作用的微波光的波长一样大的结构。

这个巨大的原子以微波光子的形式在波导的多个位置发射信息，这样光子就会相互干扰。这个过程可以被调整成完全的破坏性干扰，这意味着量子位中的信息是受保护的。此外，即使没有光子从巨大的原子中释放出来，沿着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，量子位元仍然与波导保持强耦合，但由于这种类型的量子干涉，当单量子位元和双量子位元操作被高保真地执行时，量子位元可以不受它的影响并免于退相干。

“我们利用巨原子产生的量子干涉效应，阻止量子位元将其量子信息发射到波导中，直到我们需要它为止。”奥利弗说。

Kannan说:“这让我们能够通过实验探索一种新的物理机制，而这种机制很难用自然原子来实现。”“巨原子的效应非常干净，很容易观察和理解。”

Kannan补充说，这项工作似乎有很大的潜力进行进一步的研究。

“我认为令人惊讶的是超导量子位能够相对轻松地进入这个巨大的原子区域。”他说。“我们使用的技巧相对简单，因此，可以想象在没有大量额外开销的情况下将其用于进一步的应用。”

苏黎世联邦理工学院的固态物理学教授Andreas Wallraff说，这项研究“调查了一个量子物理学的问题，这个问题对于电子或原子这样的微观物体来说是很难甚至不可能理解的，但是可以通过宏观工程超导量子电路来研究。”有了这些电路，利用一种巧妙的技巧，它们既能保护巨大的原子不受衰变，又能同时允许两个原子相干地耦合。这是探索波导量子电动力学的很好的工作。”

根据研究人员的研究，并入巨原子的量子位元的相干时间，也就是它们保持在量子状态的时间，大约为30微秒，与未耦合到波导的量子位元的相干时间几乎相同，而波导的相干时间范围在10到100微秒之间。

此外，该研究还演示了两量子位纠缠操作的94%保真度。这是研究人员首次为强耦合波导的量子位引用两量子位保真度，因为在这种结构中，使用传统小原子进行此类操作的保真度通常很低。Kannan说，通过更多的校准、操作调整程序和优化的硬件设计，保真度可以进一步提高。