麻省理工學(xué)院的研究人員利用微波傳輸線(xiàn)相連的超導(dǎo)量子比特，展示了量子比特如何按需產(chǎn)生量子處理器之間通信所需的光子或光粒子過(guò)程的。

這一進(jìn)展是朝著實(shí)現(xiàn)量子互連邁出的重要一步，這將使模塊化量子計(jì)算系統(tǒng)能夠以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的速度指數(shù)級(jí)的速度執(zhí)行操作。

“模塊化量子計(jì)算是一種通過(guò)在多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)上分擔(dān)工作量來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的技術(shù)，”麻省理工學(xué)院研究生研究員、今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展Science Advances》上的論文的第一作者Bharath Kannan說(shuō)，“然而，這些節(jié)點(diǎn)通常不在同一位置，因此我們需要能夠在遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間傳輸量子信息�！�

上圖所示的糾纏光子對(duì)是由放置在波導(dǎo)管上的量子位產(chǎn)生并傳播出去的

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算過(guò)程中，導(dǎo)線(xiàn)被用來(lái)在處理器中來(lái)回傳送信息。在量子計(jì)算機(jī)中，信息本身是量子力學(xué)和脆弱的，需要新的策略來(lái)同時(shí)處理和傳遞信息。

超導(dǎo)量子位是當(dāng)今領(lǐng)先的技術(shù)，但它們通常只支持局部相互作用（最近的鄰居或非常近的量子位）。“問(wèn)題是如何連接到遙遠(yuǎn)位置的量子位，”威廉·奧利弗（William Oliver）說(shuō)，他是電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究員，量子工程中心主任，電子研究實(shí)驗(yàn)室副主任，“我們需要量子互連，理想情況下是基于微波波導(dǎo)，可以將量子信息從一個(gè)位置引導(dǎo)到另一個(gè)位置�！�

這種通訊可以通過(guò)微波傳輸線(xiàn)或波導(dǎo)管進(jìn)行，因?yàn)閮?chǔ)存在量子位中的激發(fā)產(chǎn)生光子對(duì)，光子對(duì)發(fā)射到波導(dǎo)管中，然后傳輸?shù)絻蓚�(gè)遙遠(yuǎn)的處理節(jié)點(diǎn)。相同的光子被稱(chēng)為“糾纏”，充當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)。它們可以將量子糾纏分布到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樗鼈兛梢詡鞑サ秸麄�(gè)量子網(wǎng)絡(luò)中。

Oliver說(shuō)：“我們根據(jù)需要使用量子位產(chǎn)生糾纏光子，然后以非常高的效率將糾纏態(tài)釋放到波導(dǎo)管中，基本上是統(tǒng)一的。”

“我們的工作提出了一種新的結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生光子，這種光子在空間上以一種非常簡(jiǎn)單的方式糾纏在一起，只使用一個(gè)波導(dǎo)管和幾個(gè)量子比特，它們充當(dāng)光子發(fā)射器，”坎南說(shuō)光子之間的糾纏可以被傳輸?shù)教幚砥髦校�用于量子通信或互連協(xié)議。”

雖然研究人員說(shuō)他們還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這些通信協(xié)議，但他們正在進(jìn)行的研究正朝著這個(gè)方向發(fā)展。

Kannan說(shuō)：“在這項(xiàng)工作中，我們還沒(méi)有完成處理器之間的通信，而是展示了我們?nèi)绾文軌虍a(chǎn)生對(duì)量子通信和互連有用的光子�！�。

Kannan, Oliver和同事們之前的工作介紹了一種波導(dǎo)量子電動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，它使用超導(dǎo)量子比特，而超導(dǎo)量子比特本質(zhì)上是一種人工巨原子。這項(xiàng)研究展示了這種體系結(jié)構(gòu)如何執(zhí)行低誤差量子計(jì)算并在處理器之間共享量子信息。這是通過(guò)調(diào)節(jié)量子比特的頻率來(lái)調(diào)節(jié)量子比特與波導(dǎo)的相互作用強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以保護(hù)脆弱的量子比特免受波導(dǎo)誘導(dǎo)的退相干，從而實(shí)現(xiàn)高保真的量子比特操作，然后重新調(diào)整量子比特的頻率，使量子比特能夠以光子的形式將量子信息釋放到波導(dǎo)中。

本文介紹了波導(dǎo)量子電動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的光子產(chǎn)生能力，說(shuō)明量子比特可以作為波導(dǎo)的量子發(fā)射源。研究人員證明，發(fā)射到波導(dǎo)管中的光子之間的量子干涉會(huì)產(chǎn)生糾纏的、游走的光子，這些光子在相反的方向傳播，可以用于量子處理器之間的遠(yuǎn)距離通信。

在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生空間糾纏光子通常是通過(guò)自發(fā)的參量下轉(zhuǎn)換和光電探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是通過(guò)這種方式產(chǎn)生的糾纏通常是隨機(jī)的，因此在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子信息的按需通信時(shí)用處不大。

“模塊化是任何可擴(kuò)展系統(tǒng)的關(guān)鍵概念，”O(jiān)liver說(shuō)，“我們?cè)谶@里的目標(biāo)是展示量子互連的元素，這些元素在未來(lái)的量子處理器中應(yīng)該是有用的�！�

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