一组物理学家提出了一种模块化的方法来扩展量子处理器,提供了一种灵活的方法来连接远距离的量子比特(qubits),以进行协同的量子操作。这种互连功能被称为“纠缠”,正是它赋予量子计算机比传统计算机系统更强大的能力。
量子计算机通过量子比特(qubits)处理信息,量子比特可以同时以两种状态的混合形式表示数据——这与经典计算中的二进制比特不同,后者只能是1或0。这种独特的特性使得量子比特能够比现在最强大的超级计算机更快地进行特定的计算。
为了让量子计算机充分展现其潜力,需要大量的量子比特。然而,随着系统规模的扩大,会出现挑战,因为即使管理少量量子比特也需要复杂的电子设备,这使得扩展电路变得困难。
在罗德岛大学的教授Vanita Srinivasa领导的一项最新理论研究中,团队设想了一种用于扩展量子处理器的模块化系统。该系统提出了一种灵活的方法,用于在较长距离上链接量子比特,从而使得量子操作的协作成为可能。执行连接量子比特之间的纠缠操作的能力,是量子计算相比当前技术更强大的基础。他们的研究成果由马里兰大学和国家标准与技术研究所的Jacob M. Taylor以及UCLA的Jason R. Petta共同签署,并发表于期刊PRX Quantum。
“每个量子比特在其特定频率下运行。为了利用量子计算机的独特优势,控制每个量子比特在其频率上的独特性以及通过对齐频率连接成对的量子比特是至关重要的,”Srinivasa解释道,她负责URI的量子信息科学项目,并担任助理物理学教授。“随着量子比特数量的增加,同时管理每个量子比特的这两项操作变得非常具有挑战性。我们的研究表明,使用振荡电压可以有效地为每个量子比特创造额外的频率,而无需匹配它们所有的原始频率。这使得量子比特的连接成为可能,同时每个量子比特保留其独特的频率以便于单独控制。”
利用半导体开发量子处理器的前景看起来很有希望,可以增加可用的量子比特数量。当前的半导体技术支持生产装配有数十亿个微小晶体管的芯片,这些晶体管可以被改造为紧凑的量子比特。此外,将量子比特存储在电子和半导体颗粒的一种称为自旋的特性中,能提供更好的保护,防止在所有量子计算系统中常见的量子信息退化。
然而,仅仅将更多的自旋量子比特及其必要的控制系统添加到单个阵列中以扩展量子处理器是相当复杂的。Srinivasa及其团队的理论工作提供了一种结构化的方法,讨论了在长距离纠缠自旋量子比特的各种方法,提供了频率匹配的灵活性。
这种新发现的灵活性为基于半导体的模块化量子处理提供了一条途径,作为通过强大、长距离纠缠连接link小阵列量子比特模块——今天已经可行——创造大量量子比特系统的一种替代方法。
Srinivasa将这种扩展方法比作用标准大小的乐高积木构建一个更大的系统, 每个积木代表一个模块,通过更长的部件连接在一起,能够在外部影响切断连接之前保持模块的附着。 “如果我们能够在量子比特之间建立快速而可靠的长距离连接,这种模块化策略允许扩展,同时也为自旋量子比特的控制电路提供额外空间。”值得注意的是,全面模块化的基于半导体的量子处理器尚未被演示。
虽然有各种类型的量子比特和交互方法,但研究人员专注于基于量子点的自旋量子比特,这些量子比特通过超导腔内的微波光子进行相互作用。量子点是小的类原子结构,限制电子和其他作为量子比特使用的粒子,使其能够通过施加电压进行个别控制。相反,超导腔是较大结构,限制光子,其大小由微波波长决定。
最近的实验展示了量子点自旋量子比特之间通过微波腔光子进行的长距离连接。(涉及两个硅自旋量子比特的开创性演示是由共同作者Jason Petta的实验团队进行的。)
不过,仍然面临一个挑战,即调谐所有量子比特和光子的频率以实现能量交换的共振——这是在两个量子比特级别链接的一个基本条件,论文强调。为了解决这个障碍,研究人员提出了一种高度可调的方法,使用微波光子连接量子比特,而无需所有原始的量子比特和腔体频率同时共振。
在他们的研究中,作者提供了详细的指南,以定制长距离纠缠连接,允许通过为每个量子比特提供与特定频率微波腔光子交互的各种频率,从而具有灵活性,这类似于有多个适合单个锁的钥匙,Srinivasa表示。
通过对每个自旋量子比特施加一个振荡电压,它在量子点内产生来回运动,生成额外的频率——一个高于基准量子比特频率,一个低于。如果这种振荡足够快速,就会为每个量子比特提供三种调谐方法,与微波腔光子对齐,导致连接两个量子比特的九种不同情况。
这种共振的灵活性显著简化了将新量子比特集成到系统中的过程,因为它们不必都与相同的频率匹配。此外,连接两个量子比特的多种方式使得可以通过简单地调整振荡电压来选择各种类型的纠缠操作,而无需改变量子点或腔光子的结构。
纠缠连接的多样性扩展了可用于计算的基本量子操作的范围。最终,研究人员透露,他们提出的基于边带频率的纠缠技术比之前的方法更不容易受到腔体的光子泄漏,促进了自旋量子比特之间更稳定的长距离连接。
“灵活的频率匹配、多样的纠缠操作类型和减少对腔体光子泄漏的敏感性相结合,使我们的边带频率基础方法成为开发具有半导体量子比特的模块化量子处理器的高度有前景的策略,”Srinivasa表示。“我期待下一个阶段,即在实际量子设备中实现这些概念,并发现实现这一方法所需的进一步步骤。”