量子計(jì)算機(jī)，被譽(yù)為下一代計(jì)算技術(shù)的革命，它利用量子力學(xué)特有的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，理論上可以在幾秒內(nèi)完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能解決的問題。其有可能徹底改變材料科學(xué)和人工智能等領(lǐng)域，或模擬復(fù)雜材料、或加速機(jī)器學(xué)習(xí)模型，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今的能力。
但這些應(yīng)用只有在量子計(jì)算機(jī)能夠極快地執(zhí)行運(yùn)算的情況下才有可能，這樣科學(xué)家才能在復(fù)合錯(cuò)誤率降低其準(zhǔn)確性和可靠性之前進(jìn)行測量和修正。這種測量過程（稱為“讀出”）的效率取決于光子（攜帶量子信息的光粒子）與人造原子（存儲(chǔ)這些信息的量子元件）之間的耦合強(qiáng)度。
近日，麻省理工學(xué)院的研究人員通過超導(dǎo)電路中的石英耦合器實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)非線性光物質(zhì)耦合，展現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域的重大進(jìn)展。這一突破利用一種新型裝置增強(qiáng)了量子比特與光子之間的相互作用，有望實(shí)現(xiàn)前所未有的量子運(yùn)算和讀出速度——比以往方法快 10 倍。增強(qiáng)的耦合強(qiáng)度對(duì)于克服量子計(jì)算目前的局限性至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行可靠大規(guī)模計(jì)算的容錯(cuò)系統(tǒng)鋪平了道路。
盡管該架構(gòu)距離實(shí)際應(yīng)用仍有距離，但論文第一作者 Yufeng Ye 指出，“這一基礎(chǔ)物理原理的驗(yàn)證是關(guān)鍵突破，這將真正消除量子計(jì)算的瓶頸。傳統(tǒng)方案必須在糾錯(cuò)環(huán)節(jié)間暫停運(yùn)算以測量結(jié)果，而我們的技術(shù)能加速實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，讓量子計(jì)算機(jī)真正產(chǎn)出實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?！?/p>
相關(guān)文章以題為“Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits”發(fā)表在Nature Communications期刊。
與他共同撰寫該論文的還有 Kevin O'Brien。他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室 (RLE) 的副教授兼首席研究員，領(lǐng)導(dǎo)著電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 (EECS) 量子相干電子學(xué)小組。
新型耦合器
這次物理演示建立在 Kevin 團(tuán)隊(duì)多年的理論研究基礎(chǔ)之上。Ye 于 2019 年以博士生身份加入實(shí)驗(yàn)室后，開始開發(fā)專門的光子探測器以增強(qiáng)量子信息處理。
通過這項(xiàng)工作，他發(fā)明了一種新型量子耦合器，這是一種促進(jìn)量子比特之間相互作用的裝置。這種所謂的量子耦合器在量子操作和讀出方面有著眾多潛在應(yīng)用，因此很快成為實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)。
量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基石。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特不同，量子比特對(duì)外界環(huán)境干擾極其敏感。微小的溫度波動(dòng)、電磁噪聲，甚至是測量行為本身，都會(huì)破壞量子比特的量子態(tài)，導(dǎo)致"退相干"（decoherence）現(xiàn)象。這種退相干直接造成量子計(jì)算過程中的高錯(cuò)誤率，也大大限制了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化進(jìn)程。
這種新型量子耦合器被設(shè)計(jì)為超導(dǎo)電路中的專用設(shè)備，用于增強(qiáng)量子比特之間的相互作用。該耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)非線性光物質(zhì)耦合，這是高效執(zhí)行大多數(shù)量子算法的關(guān)鍵因素。通過增加流經(jīng)耦合器的電流，研究人員實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)健的非線性相互作用，這對(duì)于提升量子處理能力至關(guān)重要。
“量子計(jì)算中大多數(shù)有用的相互作用都來自光與物質(zhì)的非線性耦合。如果能夠獲得更多樣化的不同類型的耦合，并提高耦合強(qiáng)度，那么就能從根本上提高量子計(jì)算機(jī)的處理速度?！盰e 表示。
對(duì)于量子讀出，研究人員將微波光照射到量子比特上，然后根據(jù)該量子比特處于狀態(tài) 0 還是 1，其相關(guān)的讀出諧振器上會(huì)發(fā)生頻率偏移。他們測量這種偏移來確定量子比特的狀態(tài)。量子比特和諧振器之間的非線性光物質(zhì)耦合使得這一測量過程成為可能。
在讀出方案中，研究團(tuán)隊(duì)將石英耦合器連接芯片上的兩個(gè)超導(dǎo)量子比特，其中一個(gè)用作諧振器，另一個(gè)存儲(chǔ)量子信息。這種裝置能夠通過微波光高效傳輸量子態(tài)，顯著加快讀出過程。這些改進(jìn)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在量子比特有限的相干時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多輪糾錯(cuò)，從而減少整體計(jì)算誤差，提高量子系統(tǒng)的可靠性。
“這些超導(dǎo)人造原子與傳輸信號(hào)的微波光之間的相互作用基本上就是整個(gè)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建方式，”Ye 解釋道。
實(shí)現(xiàn)更快地讀出
石英耦合器顯著改善了超導(dǎo)量子比特與微波光之間的相互作用，從而加快了量子系統(tǒng)中的讀出過程。通過連接芯片上的兩個(gè)量子比特，該耦合器增強(qiáng)了量子態(tài)通過光子的傳輸，與之前的架構(gòu)相比，縮短了讀出時(shí)間。
這一進(jìn)步對(duì)于維護(hù)量子計(jì)算的完整性尤為重要，因?yàn)楦痰淖x出時(shí)間可以在量子比特有限的相干時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高效的糾錯(cuò)。耦合器在增強(qiáng)相互作用方面的作用可以降低錯(cuò)誤率，從而支持可擴(kuò)展的量子系統(tǒng)。
“這項(xiàng)工作并不是故事的結(jié)束。這是基礎(chǔ)物理演示，但團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)真正快速地讀出?！盞evin 表示。
這將涉及添加額外的電子元件，例如過濾器，以產(chǎn)生可以并入更大的量子系統(tǒng)的讀出電路。
研究人員還演示了極強(qiáng)的物質(zhì)-物質(zhì)耦合，這是另一種對(duì)量子操作至關(guān)重要的量子比特相互作用。這也是他們計(jì)劃在未來研究中探索的另一個(gè)領(lǐng)域。
快速操作和讀出對(duì)于量子計(jì)算機(jī)尤其重要，因?yàn)榱孔游痪哂杏邢薜膲勖?。而更?qiáng)的非線性耦合使量子處理器運(yùn)行速度更快、誤差更低，因此量子比特可以在相同的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多操作。這意味著量子比特在其生命周期內(nèi)可以進(jìn)行更多輪糾錯(cuò)。“進(jìn)行的錯(cuò)誤校正次數(shù)越多，結(jié)果中的錯(cuò)誤就越少?！?/p>
從長遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)工作可以幫助科學(xué)家構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，這對(duì)于實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算至關(guān)重要。
https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-advance-toward-fault-tolerant-quantum-computer-0430
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