眾所周知，量子計(jì)算機(jī)能夠解決最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法破解的復(fù)雜問(wèn)題。
就像經(jīng)典計(jì)算機(jī)擁有獨(dú)立卻相互連接、協(xié)同工作的組件（比如主板上的 CPU、內(nèi)存等）一樣，量子計(jì)算機(jī)也需要在多個(gè)處理器之間傳遞量子信息。
目前，用于連接超導(dǎo)量子處理器的架構(gòu)是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的連接方式，這意味著它們需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行一系列傳輸，而每次傳輸都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤疊加，導(dǎo)致錯(cuò)誤率相對(duì)較高。
為了克服這些挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的互連裝置，該設(shè)備支持可擴(kuò)展的“多對(duì)多”通信模式能讓網(wǎng)絡(luò)中的所有超導(dǎo)量子處理器直接相互通信。
研究人員搭建了一個(gè)包含兩個(gè)量子處理器的網(wǎng)絡(luò)，并利用他們研發(fā)的互連裝置，在用戶定義的方向上發(fā)送微波光子。光子作為攜帶量子信息的光粒子，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。
該設(shè)備包含一條超導(dǎo)線（波導(dǎo)），能在處理器之間傳輸光子，而且研究人員可根據(jù)需求對(duì)其進(jìn)行布線，延伸到更長(zhǎng)距離。通過(guò)將任意數(shù)量的模塊耦合到波導(dǎo)上，研究人員就能夠在可擴(kuò)展的處理器網(wǎng)絡(luò)間高效傳輸信息。
他們借助這一互連設(shè)備成功演示了遠(yuǎn)程糾纏現(xiàn)象（指未通過(guò)物理連接的量子處理器之間存在的關(guān)聯(lián)），它是構(gòu)建由眾多量子處理器組成的強(qiáng)大分布式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
“在未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)可能既需要本地互連，也需要非本地互連。在超導(dǎo)量子比特陣列中，本地互連很常見(jiàn)，而我們的設(shè)備則為實(shí)現(xiàn)更多非本地連接提供了可能，能夠以不同頻率、時(shí)間，在兩個(gè)傳播方向上傳輸光子，這大大提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和吞吐量?！边@篇論文的第一作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生 Aziza Almanakly 表示。
目前，這篇研究論文已經(jīng)發(fā)表在Nature Physics上，論文合著者包括麻省理工學(xué)院的 William D. Oliver 教授、研究生 Beatriz Yankelevich，以及來(lái)自林肯實(shí)驗(yàn)室的其他人員。此外，這項(xiàng)研究工作得到了美國(guó)陸軍研究辦公室、AWS 量子計(jì)算中心和美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室的部分資助。
可擴(kuò)展架構(gòu)
此前，研究人員開(kāi)發(fā)出一種量子計(jì)算模塊，借助該模塊能夠沿著波導(dǎo)向任意方向發(fā)送攜帶信息的微波光子。
在新的研究工作中他們進(jìn)一步拓展這一架構(gòu)，將兩個(gè)模塊連接到一個(gè)波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)光子沿所需方向發(fā)射，并在另一端被吸收。
每個(gè)模塊由四個(gè)量子比特構(gòu)成，這些量子比特充當(dāng)攜帶光子的波導(dǎo)與更大的量子處理器之間的接口。耦合到波導(dǎo)的量子比特負(fù)責(zé)發(fā)射和吸收光子，隨后光子會(huì)傳輸?shù)礁浇拇鎯?chǔ)量子比特。
研究人員通過(guò)一系列微波脈沖為量子比特注入能量，量子比特吸收能量后會(huì)發(fā)射光子。通過(guò)精確控制這些脈沖的相位，能夠產(chǎn)生量子干涉效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沿波導(dǎo)向任一方向發(fā)射光子。而通過(guò)時(shí)間上反轉(zhuǎn)這些脈沖，另一個(gè)模塊中的量子比特就能吸收光子，無(wú)論兩個(gè)模塊距離有多遠(yuǎn)。
“發(fā)射和接收光子讓我們可以在非本地量子處理器之間建立‘量子互連’，而量子互連是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程糾纏的關(guān)鍵?！監(jiān)liver 解釋道。
Yankelevich 補(bǔ)充說(shuō)：“生成遠(yuǎn)程糾纏是從小規(guī)模模塊構(gòu)建大規(guī)模量子處理器的重要一步。即便光子消失，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的‘非本地’量子比特之間依然會(huì)存在相關(guān)性。借助遠(yuǎn)程糾纏，我們就能利用這些相關(guān)性，在兩個(gè)量子比特之間執(zhí)行并行操作，哪怕它們不再連接且相隔甚遠(yuǎn)?！?/p>
形成糾纏態(tài)
然而，僅僅在兩個(gè)模塊之間傳輸光子并不足以產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏，研究人員還需要對(duì)量子比特和光子進(jìn)行預(yù)先準(zhǔn)備，確保在協(xié)議結(jié)束時(shí)，兩個(gè)模塊能“共享”光子。
他們通過(guò)在光子發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間的中途停止發(fā)射脈沖成功實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。用量子力學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，此時(shí)光子處于“既保留又發(fā)射”的狀態(tài)，用經(jīng)典物理的比喻來(lái)說(shuō)，可認(rèn)為一半的光子被保留，另一半被發(fā)射，即“半光子”。
一旦接收模塊吸收了這個(gè)“半光子”，兩個(gè)模塊便形成了糾纏態(tài)。不過(guò)，在光子傳播過(guò)程中，波導(dǎo)中的接頭、引線鍵合和連接等因素會(huì)使光子產(chǎn)生畸變，降低接收模塊的吸收效率。
為了生成保真度足夠高的遠(yuǎn)程糾纏，研究人員需要盡可能提高光子在另一端被吸收的頻率?！斑@項(xiàng)工作的難點(diǎn)在于如何恰當(dāng)?shù)厮茉旃庾有螒B(tài)，從而最大限度提高吸收效率?！盇lmanakly 表示。
為此，他們運(yùn)用一種強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)光子進(jìn)行“預(yù)畸變”處理。該算法通過(guò)優(yōu)化協(xié)議脈沖來(lái)塑造光子形態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最高的吸收效率。
實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)他們采用這種優(yōu)化后的協(xié)議時(shí)，光子吸收效率超過(guò)了 60%。這一吸收效率已經(jīng)足夠高，可以證明協(xié)議結(jié)束時(shí)兩個(gè)模塊的狀態(tài)是糾纏態(tài)，而這是此次實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要里程碑。
“我們可以利用這種架構(gòu)創(chuàng)建具有多對(duì)多連接的網(wǎng)絡(luò)。這意味著同一總線上可以有多個(gè)模塊，并且我們能在任意選定的模塊對(duì)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程糾纏?！盰ankelevich 表示。
展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃通過(guò)優(yōu)化光子傳播路徑來(lái)進(jìn)一步提高吸收效率，比如采用 3D 集成模塊，取代使用超導(dǎo)線連接單個(gè)微波封裝的方式。同時(shí)，他們還打算加快協(xié)議執(zhí)行速度，減少錯(cuò)誤累積的可能性。
“從理論上講，這種遠(yuǎn)程糾纏生成協(xié)議也可以推廣到其他類型的量子計(jì)算機(jī)，以及更大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中?！盇lmanakly 表示。
https://news.mit.edu/2025/device-enables-direct-communication-among-multiple-quantum-processors-0321
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