麻省理工学院的米凯拉·贾维斯 信用:CC0公共领域 麻省理工学院的研究人员引入了一种量子计算架构，它可以执行低误差的量子计算，同时还可以在处理器之间快速共享量子信息
这项工作代表了向一个完整的量子计算平台迈进的关键一步
在这一发现之前，小规模量子处理器已经成功地以比经典计算机快几倍的速度执行任务
然而，在处理器的远程部分之间可控地传递量子信息是困难的
在传统计算机中，在计算过程中，有线互连用于在整个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和脆弱的，需要全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、电子研究实验室副主任威廉·奥利弗(William Oliver)说:“扩展量子计算机的主要挑战之一是让量子比特在不在同一位置时能够相互作用。”
“例如，最近邻量子位可以很容易地相互作用，但是我如何制作连接遥远位置的量子位的‘量子互连’？” 答案在于超越传统的光-物质相互作用
尽管天然原子相对于它们所作用的光的波长来说很小，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”不一定是这样
取而代之的是，他们用超导量子比特或量子比特构建了“巨型原子”，并以可调谐的配置连接到微波传输线或波导
这使得研究人员可以调整量子位-波导相互作用的强度，从而保护脆弱的量子位在执行高保真操作时免受退相干或一种自然衰减的影响，否则退相干或自然衰减会被波导加速
一旦这些计算完成，量子位-波导耦合的强度被重新调整，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
该论文的第一作者、麻省理工学院研究生班成员巴拉思·坎南说:“将一个量子位耦合到波导通常对量子位的运行非常不利，因为这样做会显著缩短量子位的寿命。”
然而，为了在整个处理器中释放和传送量子信息，波导是必要的
在这里，我们已经表明，即使量子位与波导强耦合，也有可能保持它的相干性
然后我们就有能力决定何时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相互作用
" 研究人员说，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
与将原子视为比它们相互作用的光的波长小的点状物体的模型不同，超导量子位或人造原子本质上是大电路
当与波导管耦合时，它们产生一个与它们相互作用的微波波长一样大的结构
这个巨大的原子在波导的多个位置以微波光子的形式发射信息，这样光子就会相互干涉
这个过程可以被调整为完全的破坏性干涉，这意味着量子位中的信息受到保护
此外，即使实际上没有光子从巨型原子中释放出来，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，量子位保持与波导的强耦合，但是由于这种类型的量子干涉，它们可以不受它的影响，并且不受退相干的影响，而单量子位和双量子位操作以高保真度执行
“我们利用巨型原子产生的量子干涉效应来阻止量子比特向波导发射量子信息，直到我们需要它
”奥利弗说
“这使我们能够通过实验探索一种新的物理机制，这种机制很难用自然原子来实现，”坎南说
“巨型原子的效果极其清晰，易于观察和理解
" 坎南补充说，这项工作似乎有很大的进一步研究潜力
“我认为其中一个惊喜实际上是超导量子比特能够相对容易地进入这个巨大的原子体系
”他说
“我们采用的技巧相对简单，因此，可以想象在没有大量额外开销的情况下将它用于进一步的应用
" 根据研究人员的说法，结合到巨型原子中的量子位的相干时间，即它们保持在量子状态的时间，约为30微秒，与没有耦合到波导的量子位几乎相同，波导的范围在10到100微秒之间
此外，这项研究还展示了保真度为94%的双量子位纠缠操作
这是研究人员首次引用强耦合到波导的量子位的双量子位保真度，因为在这种架构中，使用传统小原子的这种操作的保真度通常较低
坎南说，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
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