科学家们已经修改了一种微波循环器，以用于量子计算机。这使得能够精确调谐量子比特（量子计算的基本单元）与微波共振腔之间的非互易性。能够精确调节这种非互易性是量子信息处理的重要工具。该团队还开发了一种通用且广泛适用的理论，简化并扩展了对非互易性的先前理解。这将使未来在类似主题上的工作能够受益于该团队的模型，即使使用不同的组件。
麻省大学阿默斯特分校的科学家团队已修改了一种微波循环器，以便于量子计算机使用。这使得能够精确调节量子比特与微波共振腔之间的非互易性，而量子比特是量子计算的基本单位。能够细致地调整非互易性的程度对于量子信息处理至关重要。该团队与芝加哥大学的合作者一起开发了一种通用理论，简化并扩展了量子计算机的能力。基于对非互易性的先前知识，该团队的模型旨在惠及未来在类似主题上的研究，即使使用不同的组件和平台。这些研究成果最近发表在Science Advances上。
量子计算在根本上与传统的基于比特的计算不同。虽然比特用0或1表示，并构成了我们电子世界的基础，但量子计算依赖于“量子比特”，量子比特与比特相似，但具有独特的性质。本文讨论了“量子叠加”的概念以及它如何影响量子物体的行为。当处于量子状态时，物质表现出不同的行为，使得量子比特能够同时存在为0和1。这一独特特性受到量子力学法则的定义，并赋予量子计算机更强大的能力。
除了量子叠加外，“非互易性”的特性还为量子计算开辟了新的机会，以利用量子世界的潜力。
论文作者之一Sean van Gelde用两人对话的类比来说明这些概念，他解释说，创建一种平衡是至关重要的，即对话中每个人分享等量的信息。在量子计算中，总互易性是高度追求的，因为它允许充分访问数据而不损害其完整性。麻省大学阿默斯特分校的物理学助理教授陈望强调了这种平衡在计算场景中的重要性，以防止任何人修改或降级数据。为了应对非互易性，首席作者、麻省大学阿默斯特分校的物理研究生王莹莹指出，需要创造一种平衡，以确保信息的公平共享。在这项研究中，阿默斯特及其同事进行了模拟，以确定其循环器的必要设计和属性，以控制其非互易性。在构建循环器后，他们进行了系列实验，不仅验证了他们的概念，还更好地理解了他们的设备如何实现非互易性。通过这一过程，他们能够将最初具有16个参数的模型简化为仅有六个参数的更通用模型。这个修订后的模型比最初的特定模型更实用和适用。该团队创建了一个“集成非互易器件”，其形状类似于“Y”型。在“Y”的中心是循环器，作为微波信号的环形交叉路口，以调解量子交互。“Y”的一条腿是腔口，一个含有电磁场的共振超导腔。另一条腿则是量子比特，打印在蓝宝石芯片上。最后一条腿是输出口。
王莹莹解释说，通过用光子改变超导电磁场，他们观察到它对未来各种研究活动具有广泛的适用性。量子比特以可预测和可控的方式响应，使我们能够调整所需的互易性水平。“我们创建的简化模型以一种能够计算外部参数以微调非互易性水平的方式描述我们的系统。”
“这是我们首次将非互易性纳入量子计算设备，”陈望说，“这为工程设计更先进的量子计算硬件铺平了道路。”
这项研究的资金由美国能源部、陆军研究办公室、西蒙斯基金会、空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和物理科学实验室量子比特协作组提供。
