联网！超导量子计算机的互连取得重要进展

光子盒研究院出品

正如经典计算机和互联网的发展，如果量子计算机不能互连，无法发挥其全部能力。近日，麻省理工学院的研究人员开发了一个量子计算架构，将实现超导量子处理器之间可扩展的、高保真的通信。

保真度高达96%，实现量子处理器的模块化

量子计算机有希望完成某些即使在世界最强大的超级计算机上也难以完成的任务。在未来，科学家们预计将使用量子计算来模拟材料系统、模拟量子化学，并优化硬任务，其影响可能跨越金融和制药。

然而，实现这一承诺需要有弹性和可扩展的硬件。构建大规模量子计算机的一个挑战是，研究人员必须找到一种有效的方法来互连量子信息节点——分离在计算机芯片上的较小规模的处理节点。由于量子计算机与经典计算机有根本的不同，用于通信电子信息的传统技术并不能直接转化为量子设备。然而，有一个要求是肯定的：无论是通过经典还是量子互连，携带的信息必须被传输和接收。

为此，麻省理工学院团队展示了第一步，即在用户指定的方向上确定性地发射单光子——信息载体，他们的方法能够确保量子信息在96%以上的时间里流向正确的方向。将这些模块中的几个连接起来，就能形成一个更大的量子处理器网络，无论它们在计算机芯片上的物理间隔如何，都能实现相互连接。

“量子互连是实现由较小的单独组件构建的更大规模机器的模块化的关键一步。“这项研究论文的共同主要作者Bharath Kannan博士说：“在较小的子系统之间进行通信的能力将使量子处理器的模块化架构成为可能，与使用单一大型复杂芯片的粗暴方式相比，这可能是扩展到更大系统规模的一种更简单的方式。“

使用双向波导，移动量子信息

在传统的经典计算机中，各种组件执行不同的功能，如内存、计算等。电子信息以比特（取值为1或0）的形式进行编码和存储，通过互连线在这些部件之间穿梭；互连线是在计算机处理器上移动电子的导线。

但是量子信息更加复杂。量子信息不是只有0或1的值，而是根据叠加现象，可以同时为0和1。而且，量子信息可以由光的粒子（光子）携带。这些额外的复杂性使量子信息变得脆弱、不能简单地使用传统协议来传输。

一个量子网络使用光子连接处理节点，这些光子通过波导进行传输。波导可以是单向的、只向左或向右移动一个光子，也可以是双向的。

大多数现有的架构使用单向波导，这更容易实现，因为光子移动的方向很容易确定。但是，由于每个波导只能在一个方向上移动光子，随着量子网络的扩大，需要更多的波导，这使得这种方法难以扩展。此外，单向波导通常包含额外的组件来执行方向性，这就引入了通信错误。

“如果我们有一个可以支持在左右两个方向传播的波导，并且有一种可以随意选择方向的手段，我们就可以摆脱这些有损耗的部件。这种‘定向传输’就是我们所展示的，它是朝着具有更高保真度的双向通信迈出的第一步。“Kannan说，利用他们的架构，多个处理模块可以沿着一条波导串起来。同时，该架构设计的一个显著特点是，同一个模块可以同时作为发射器和接收器使用；而且光子可以由任何两个模块沿着共同的波导发送和捕获。

实验设置

Almanakly补充说：“我们只有一个物理连接，沿途可以有任何数量的模块。这就是它的可扩展性。在展示了一个模块的定向光子发射后，我们现在正致力于在第二个模块的下游捕获该光子。“

利用量子特性，向模块化架构更进一步

为了实现这一目标，研究人员建立了一个由四个量子比特组成的模块。

量子比特是量子计算机的构建模块，用于存储和处理量子信息。但是量子比特也可以作为光子发射器使用；向量子比特添加能量会导致量子比特被激发，然后当它去激发时，量子比特将以光子的形式发射能量。

波导式QED架构中的定向光子发射。

然而，简单地将一个量子比特连接到波导上并不能确保方向性。单个量子比特发射出一个光子，但它是向左还是向右移动是完全随机的。为了规避这个问题，研究人员利用两个量子比特和量子干涉的特性来确保发射的光子以正确的方向传播。

该技术涉及将两个量子比特准备在贝尔态的单一激发的纠缠状态。这种量子力学状态包括两个方面：左边的量子比特被激发、右边的量子比特被激发。这两个方面同时存在，但哪个量子比特在某个特定时间被激发是未知的。

当量子比特处于这种纠缠的贝尔态时，光子实际上是在两个量子比特的位置同时发射到波导上的，而这两条“发射路径”是相互干扰的。根据贝尔态内的相对相位，产生的光子发射必须向左或向右移动。通过准备具有正确相位的贝尔态，研究人员选择了光子穿越波导的方向。

他们可以使用这种相同的技术，但以相反的方式，在另一个模块接收光子。

“光子有一定的频率，一定的能量，你可以准备一个模块来接收它，把它调到相同的频率。如果它们不在同一频率上，那么光子将只是通过。这就好比把收音机调到一个特定的电台。如果我们选择了正确的无线电频率，我们就会接收到以该频率传输的音乐。”Almanakly说。

他们的技术达到了96%以上的保真度：这意味着如果他们打算向右边发射一个光子，96%的时间它都会向右边发射。

现在，他们已经用这种技术有效地在一个特定的方向上发射光子，研究人员希望将多个模块连接起来，用这个过程来发射和吸收光子。这将是朝着开发模块化架构迈出的重要一步，该架构将许多较小规模的处理器组合成一个规模更大、功能更强的量子处理器。

论文链接：

参考链接：

https://phys.org/news/2023-01-quantum-architecture-large-scale-devices.html