研究人员提出了一种新颖的超导量子处理器设计，这可能导致量子革命所需的强大大规模设备。不像传统的在二维网格中排列处理量子比特的量子芯片，研究小组开发了一种模块化量子处理器，具有可重配置的路由器作为核心。这一创新使任何两个量子比特能够自由连接和纠缠，而以前的模型只允许量子比特与其最近的邻居进行通信。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员开发了一种尖端设计的超导量子处理器，旨在实现大规模、韧性设备的可行架构，满足量子革命的需要。
与传统的将信息处理量子比特置于二维网格的量子芯片设计相比，克莱兰实验室团队设计了一种模块化量子处理器，该处理器包含一个可重配置的路由器作为中央枢纽。这种设计允许任意两个量子比特连接和纠缠，克服了旧系统的限制，后者仅允许量子比特与其最近的对手进行交互。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的安德鲁·克莱兰教授指出：“量子计算机无法直接与经典计算机进行比较，尤其是在内存大小或中央处理器大小等参数方面。相反，量子计算机利用根本不同的扩展方法：尽管扩展经典计算机的能力需要更大的中央处理器或提高时钟速度，但增强量子计算机的能力只需要增加一个量子比特。”
从传统计算机中汲取灵感，该设计将量子比特围绕一个中央路由器进行聚集，类似于个人计算机通过中央网络枢纽进行通信。量子“开关”可以在几纳秒内快速连接和断开量子比特，形成高保真量子门和量子纠缠，这是量子计算和通信的重要组成部分。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士候选人吴迅涛解释道：“理论上，通过路由器连接的量子比特数量没有上限。只要它们适合一个定义好的空间，就可以添加更多的量子比特以增强处理能力。”
吴是最近发表于《物理评论X》杂志的论文的主要作者，论文概述了这一创新的超导量子比特连接方法。研究人员开发的新量子芯片是可适应的、可扩展的和模块化的，类似于手机和笔记本电脑中的芯片。
吴补充道：“可以把经典计算机的主板想象成一个整合了多种组件，如中央处理器、图形处理器、内存等的系统。我们的目标是将这个概念转换到量子领域。”
维度与干扰
量子计算机是极其复杂，但也脆弱的设备，有潜力颠覆电信、医疗、清洁能源和密码学等领域。为了充分释放量子计算机解决全球挑战的能力，必须满足两个主要要求。
首先，它们需要能够扩展到合适的规模，并具有灵活的操作能力。
克莱兰表示：“实现这种扩展可以为经典计算机难以解决的计算问题提供解决方案，比如因式分解大整数和破解加密。”
其次，量子计算机必须表现出容错能力，使其能够在最小错误情况下进行广泛的计算，理想情况下超过当今最先进的经典计算机的处理能力。在此开发的超导量子比特平台显示出作为实现这一目标的一种方法的前景。
共同作者、今年春季从芝加哥大学普利兹克分子工程学院毕业并在应用材料公司担任量子工程师的严浩雄表示：“标准的超导处理器芯片通常呈正方形，所有量子比特都置于其中。可以想象，一个二维数组，类似于平方晶格；这就是传统超导量子处理器的布局。”
传统设计中的挑战
这种标准设计有几个缺陷。
首先，在网格中排列量子比特限制了每个量子比特只能与最多四个其他量子比特进行互动——即其北、南、东和西方向的直接邻居。量子比特之间增强的连接性通常会导致处理器在灵活性和效率方面更强，但四邻约束通常是平面设计的局限性。这意味着，扩大系统在实际操作中对有效的量子计算应用要求过高的资源。
其次，最近邻连接的限制限制了可实现的量子动态类型以及处理器能够达到的并行处理程度。
最后，将所有量子比特制造在单一平面基底上对生产良率构成重大挑战；即使少量失败也可能导致处理器失效。
严解释道：“对于实用的量子计算，我们需要数百万甚至数十亿个量子比特，而每个组件都必须无可挑剔。”
重新思考处理器设计
为了应对这些挑战，团队重新构想了量子处理器的设计。该处理器旨在模块化，意味着不同组件可以在安装到处理器主板之前进行预选择。
团队的下一个目标包括探索扩展量子处理器以容纳更多量子比特的方法，开发增强其能力的创新协议，以及可能找到类似超级计算机连接其处理器的方式将路由器连接的量子比特集群互连。
他们还希望延长量子比特纠缠的距离。
吴透露：“目前，耦合范围相对中等，约为毫米。如果我们希望连接远程的量子比特，必须研究将其他技术融入现有设置的新方法。”
资助：该研究及相应实验由陆军研究办公室和物理科学实验室资助（ARO Grant No. W911NF2310077），以及空军科学研究办公室（AFOSR Grant No. FA9550-20-1-0270）资助。
