巨型原子使量子处理和通信成为一体

麻省理工学院的研究人员介绍了一种量子计算架构，该架构可以执行低误差量子计算，同时还可以在处理器之间快速共享量子信息。这项工作是向完整的量子计算平台迈出的关键一步。

在此发现之前，小规模量子处理器已经成功地以比传统计算机快几倍的速度执行了任务。但是，很难在处理器的远处之间可控制地传递量子信息。在经典计算机中，有线互连用于在计算过程中在整个处理器中来回路由信息。但是，在量子计算机中，信息本身是量子机械的且易碎的，因此需要从根本上采用新的策略在芯片上同时处理和传递量子信息。

麻省理工学院林肯实验室研究员，电子工程与计算机科学副教授威廉·奥利弗(William Oliver)表示：“缩放量子计算机的主要挑战之一是使量子位不在同一位置时能够相互交互。”电子研究实验室主任。“例如，最近的量子位可以很容易地进行交互，但是我该如何使连接量子位在远处的'量子互连'呢?”

答案在于超越常规的光-物质相互作用。

尽管天然原子相对于与它们相互作用的光的波长来说是很小的且呈点状，但在《自然》杂志上发表的一篇论文中，研究人员表明，超导“人造原子”不需要如此。取而代之的是，他们从以可调结构连接到微波传输线或波导的超导量子位或量子位构造了“巨原子” 。

这使研究人员可以调整量子位-波导相互作用的强度，从而可以保护脆弱的量子位免受退相干或波导管在执行高保真操作时可能会加速的自然衰减。一旦执行了这些计算，量子位-波导耦合的强度就会重新调整，并且量子位能够以光子或光粒子的形式将量子数据释放到波导中。

麻省理工学院研究生和论文的第一作者巴拉特·坎南说：“将量子位耦合到波导通常对量子位操作非常不利，因为这样做会大大降低量子位的寿命。” “但是，为了在整个处理器中释放和路由量子信息，波导是必不可少的。在这里，我们证明了即使量子位与波导牢固耦合，也可以保留其量子相干性。然后，我们就有能力确定我们何时要释放存储在量子位中的信息。我们已经展示了如何使用巨型原子来打开和关闭与波导的交互。”

研究人员说，由研究人员实现的系统代表了一种新的光-物质相互作用机制。与将原子视为小于与它们相互作用的光的波长的点状对象的模型不同，超导量子位或人造原子本质上是大型电路。当与波导耦合时，它们形成与它们相互作用的微波波长一样大的结构。

巨型原子在沿波导的多个位置以微波光子的形式发射其信息，从而使光子相互干扰。可以调整此过程以完成破坏性干扰，这意味着qubit中的信息受到保护。此外，即使实际上没有从巨型原子释放光子，沿波导的多个量子位仍然能够彼此交互以执行操作。在整个过程中，量子位保持与波导的牢固耦合，但是由于这种类型的量子干扰，它们可以保持不受波导管的影响，并受到退相干的保护，而高保真地执行单量子位和二量子位操作。

“我们利用巨型原子启用的量子干扰效应来防止量子位在需要它之前将其量子信息发射到波导。” 奥利弗说。

坎南说：“这使我们能够实验性地探索一种新的物理机制，而这是自然原子难以达到的。” “巨大原子的作用非常干净，易于观察和理解。”

坎南补充说，这项工作似乎具有进一步研究的巨大潜力。

“我认为惊奇之一实际上是超导量子位能够相对容易地进入这个巨大的原子态。” 他说。“我们采用的技巧相对简单，因此，可以想象将其用于其他应用程序而不会产生大量额外开销。”

纳入巨型原子的量子比特的相干时间，即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比特的相干时间几乎相同，其范围在10到100微秒之间。给研究人员。

此外，研究表明，保真度为94%的两个量子纠缠操作。这代表研究人员首次对与波导牢固耦合的量子位引用两个量子位的保真度，因为在这种架构中使用常规小原子进行此类操作的保真度通常较低。Kannan说，通过更多的校准，操作调整程序和优化的硬件设计，可以进一步提高保真度。

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