科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)新一期《自然·通訊》雜志報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)展示的全新超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，有望使量子處理器速度提高10倍。這是量子系統(tǒng)中迄今為止所能實(shí)現(xiàn)的最強(qiáng)非線性光物質(zhì)耦合，此舉可讓未來的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行更快、更穩(wěn)定，并向?qū)嵱没~進(jìn)一步。

量子計(jì)算機(jī)潛力巨大，未來能快速模擬新材料，或者極大提高人工智能的學(xué)習(xí)效率。然而，這些應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的前提是量子計(jì)算機(jī)能以極快速度完成復(fù)雜運(yùn)算，同時(shí)迅速讀出計(jì)算結(jié)果。而這一測(cè)量過程的效率，即讀取效率，取決于光子與人工原子（量子計(jì)算機(jī)中常用于存儲(chǔ)信息的物質(zhì)單元）之間的耦合強(qiáng)度。

此次團(tuán)隊(duì)采用的超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，其非線性光物質(zhì)耦合強(qiáng)度比之前演示的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，朝著實(shí)現(xiàn)可在幾納秒內(nèi)完成的量子運(yùn)算和讀取邁出了關(guān)鍵一步。

團(tuán)隊(duì)在2019年開始研發(fā)一種專門的光子探測(cè)器，以增強(qiáng)量子信息處理能力。其間他們發(fā)明了一種名為“四分量耦合器”的新型量子耦合器。這個(gè)裝置像是一個(gè)“翻譯器”，能促進(jìn)量子比特之間高效交換信息。其工作原理是：當(dāng)人們向耦合器注入電流時(shí)，它能增強(qiáng)量子比特和光信號(hào)之間的相互作用，產(chǎn)生非常強(qiáng)的非線性耦合。簡(jiǎn)而言之，就是讓光和物質(zhì)之間的“對(duì)話”更加高效、精準(zhǔn)。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將這種耦合器連接到芯片上的兩個(gè)超導(dǎo)量子比特，其中一個(gè)量子比特轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振器，相當(dāng)于一個(gè)讀取器，用來檢測(cè)量子比特的狀態(tài)。另一個(gè)被當(dāng)作人工原子，用來存儲(chǔ)量子信息，其中信息以光子形式傳輸。當(dāng)微波光照射到這個(gè)系統(tǒng)上時(shí)，諧振器會(huì)根據(jù)量子比特是“0”還是“1”而發(fā)生頻率變化。研究人員通過監(jiān)測(cè)這種變化就能判斷比特的狀態(tài)。

結(jié)果，四分量耦合器在量子比特和諧振器之間產(chǎn)生的非線性光物質(zhì)耦合強(qiáng)度，比之前實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這不僅加快了讀取速度，還減少了誤差，使得量子比特能在壽命內(nèi)完成更多次計(jì)算與糾錯(cuò)操作。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這項(xiàng)研究有助于科學(xué)家構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，這對(duì)于實(shí)際的、大規(guī)模的量子計(jì)算至關(guān)重要。