量子计算架构设计用于连接大规模设备

量子计算洞见

• 量子计算在未来有着巨大的潜力，但寻找能够连接信息节点的弹性硬件一直是研究人员最大的绊脚石之一。
• 麻省理工学院的研究人员开发了一种量子计算架构，可以在超导量子处理器之间实现可扩展的高保真通信，使信息在96%的时间内正确传输。

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量子计算机有望执行某些即使在世界上最强大的超级计算机上也难以处理的任务。在未来，科学家们预计将使用量子计算来模拟材料系统，模拟量子化学，并优化艰巨的任务，其影响可能涉及金融和制药业。

然而，实现这一承诺需要有弹性和可扩展的硬件。建造一个大规模的量子计算机研究人员必须找到一种有效的方法来互连量子信息节点——在计算机芯片上分离的小规模处理节点。由于量子计算机与经典计算机有本质上的不同，用于通信电子信息的传统技术不能直接转化为量子设备。然而，有一个要求是肯定的:无论是通过经典互连还是量子互连，所携带的信息都必须被传输和接收。

为此，麻省理工学院的研究人员开发了一种量子计算架构，可以在超导量子处理器之间实现可扩展的高保真通信。在今日出版的作品在自然物理麻省理工学院的研究人员演示了第一步，即单光子(信息载体)在用户指定的方向上的确定性发射。他们的方法确保量子信息在96%以上的时间内流向正确的方向。

将这些模块中的几个连接起来，就可以形成一个更大的量子处理器网络，无论它们在计算机芯片上的物理分离如何。

一篇描述该技术的研究论文的联合主要作者、22岁的Bharath Kannan博士说:“量子互连是迈向由较小的单个组件构建的大型机器模块化实现的关键一步。”

Kannan补充说:“在较小的子系统之间通信的能力将使量子处理器的模块化架构成为可能，与使用单个大型复杂芯片的暴力方法相比，这可能是一种更简单的扩展到更大系统尺寸的方法。”

Kannan与Aziza Almanakly共同撰写了这篇论文，Aziza Almanakly是麻省理工学院电子研究实验室(RLE)工程量子系统组的电气工程和计算机科学研究生。资深作者是William D. Oliver，麻省理工学院电气工程、计算机科学和物理学教授，麻省理工学院林肯实验室研究员，量子工程中心主任，RLE副主任。

移动量子计算信息

在传统的经典计算机中，不同的组件执行不同的功能，如内存、计算等。电子信息被编码并存储为比特(取值为1或0)，通过互连在这些组件之间穿梭，互连是在计算机处理器上移动电子的电线。

量子信息更为复杂。量子信息不仅可以是0或1，还可以同时是0和1(这种现象被称为叠加)。此外，量子信息可以被称为光子的光粒子携带。这些增加的复杂性使得量子信息很脆弱，不能简单地使用传统协议进行传输。

量子网络使用光子通过被称为波导的特殊互连连接处理节点。波导可以是单向的，只让光子向左或向右移动，也可以是双向的。

大多数现有的架构使用单向波导，由于光子的运动方向很容易确定，因此更容易实现。但由于每个波导只向一个方向移动光子，随着量子网络的扩展，就需要更多的波导，这使得这种方法难以扩展。此外，单向波导通常包含额外的组件来加强方向性，这引入了通信错误。

“如果我们有一种可以支持左右方向传播的波导，以及一种随意选择方向的方法，我们就可以摆脱这些有损组件。这种‘定向传输’就是我们所演示的，这是朝着更高保真度的双向通信迈出的第一步。”Kannan说。

使用他们的架构，多个处理模块可以串在一个波导上。他说，该架构设计的一个显著特点是，同一个模块既可以用作发射机，也可以用作接收机。光子可以被任意两个模块沿同一波导发送和捕获。

“我们只有一个物理连接，可以有任意数量的模块。这就是它可伸缩的地方。在演示了一个模块的定向光子发射后，我们现在正致力于在第二个模块中捕捉下游的光子。”

利用量子计算特性

为了实现这一目标，研究人员构建了一个包含四个量子比特的模块。

量子比特是量子计算机的组成部分，用于存储和处理量子信息。但量子比特也可以用作光子发射器。向量子位添加能量会使量子位变得兴奋，然后当它去兴奋时，量子位将以光子的形式释放能量。

然而，简单地将一个量子比特连接到波导上并不能保证方向性。一个量子比特发射出一个光子，但它是向左还是向右移动完全是随机的。为了避免这个问题，研究人员利用两个量子比特和一种被称为量子干涉的特性来确保发射的光子沿正确的方向运动。

该技术涉及将两个量子位制备在称为贝尔态的单激发纠缠态中。这种量子力学状态包括两个方面:被激发的左量子比特和被激发的右量子比特。这两个方面同时存在，但在给定时间哪个量子比特被激发是未知的。

当量子比特处于这种纠缠贝尔状态时，光子有效地同时发射到两个量子比特位置的波导上，这两条“发射路径”相互干扰。根据贝尔态内的相对相位，产生的光子发射必须向左或向右移动。通过用正确的相位准备贝尔态，研究人员选择了光子通过波导的方向。

他们可以使用同样的技术，但反过来，从另一个模块接收光子。

“光子有一定的频率，一定的能量，你可以准备一个模块来接收它，把它调到相同的频率。如果它们的频率不同，光子就会通过。这类似于将收音机调到特定的电台。如果我们选择正确的无线电频率，我们就能接收到以该频率传输的音乐，”Almanakly说。

研究人员发现他们的技术达到了96%以上的保真度——这意味着如果他们打算向右发射光子，96%的时间它会向右发射。

现在，他们已经使用这种技术有效地向特定方向发射光子，研究人员想要连接多个模块，并利用这一过程发射和吸收光子。这将是开发模块化架构的重要一步，该架构将许多较小规模的处理器组合成一个更大规模、更强大的量子处理器。

“这项工作展示了一个按需量子发射器，其中从纠缠态发射的光子的干涉定义了方向，完美地展示了波导量子电动力学的力量，”RIKEN量子计算中心主任Yasunobu Nakamura说，他没有参与这项研究。“它可以作为一个完全可编程的量子节点，可以在量子网络上发射/吸收/传递/存储量子信息，也可以作为连接多个量子计算机芯片的总线接口。”

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