理论研究有望推动模块化量子信息处理的发展

量子计算机的运行依赖于以量子比特的形式对信息进行编码和处理——量子比特由电子和光子等量子系统的两种状态定义。与传统计算机中使用的二进制比特不同，量子比特可以同时以零和一的组合存在——原则上，这使得它们能够以比当今最大的超级计算机快得多的速度执行某些计算。

要充分发挥量子计算机的潜力，需要数百万个量子比特。但随着量子信息处理系统扩展到许多量子比特，挑战也随之而来。即使控制几个量子比特也需要高度复杂的电子器件，而扩展如此复杂的电路是一个重大障碍。

在最近的理论研究中，由罗德岛大学教授 Vanita Srinivasa 领导的物理学家团队设想了一种模块化系统，用于扩展量子处理器，并采用灵活的方式将量子比特在长距离上连接起来，使它们能够协同工作以执行量子操作。与目前的计算机相比，在连接的量子比特之间执行此类关联或“纠缠”操作的能力是量子计算能力增强的基础。

他们的研究成果最近发表在《PRX Quantum》杂志上，该论文由斯里尼瓦萨、马里兰大学和美国国家标准与技术研究所的 Jacob M. Taylor 以及加州大学洛杉矶分校的 Jason R. Petta 共同撰写。

“量子计算机中的每个量子比特都以特定的频率运行。实现量子计算机独有的功能依赖于能够通过不同的频率单独控制每个量子比特，以及通过匹配频率来链接量子比特对，”URI 量子信息科学项目主任兼物理学助理教授 Srinivasa 说。

“随着量子处理器扩展到更大的量子比特数量，能够同时为每个量子比特实现这两种操作变得非常具有挑战性。在我们的工作中，我们描述了如何应用振荡电压有效地为每个量子比特产生额外的频率，以便链接多个量子比特，而不必匹配它们所有的原始频率。这允许量子比特链接，同时允许每个量子比特保留不同的频率以进行单独控制。”

从理论上讲，使用半导体构建量子处理器对于将量子比特扩展到大数量非常有希望。Srinivasa 表示，当今先进的半导体技术构成了制造包含数十亿个微型晶体管的的基础，并可用于制造尺寸紧凑的量子比特。此外，将量子比特存储在电子和其他半导体粒子的内部属性(称为自旋)中，可以增强对每个量子计算平台固有的量子信息丢失的保护。

然而，通过简单地将越来越多的自旋量子比特及其相关控制电路添加到单个量子比特阵列来扩展量子处理器在实践中非常具有挑战性。Srinivasa 和她的同事的理论工作通过提供分步指南解决了这个问题，该指南展示了多种在长距离上纠缠自旋量子比特的方法，并灵活地匹配它们的频率。

由此产生的灵活性开辟了基于半导体的模块化量子信息的道路处理开辟了一条道路，它代表了一种替代方法，即使用今天已经可以制作的小量子位阵列(模块)来构建多量子位系统，并将它们与稳健的远程纠缠链路连接起来。

“这种扩展方法就像使用固定尺寸的乐高积木构建一个更大的系统，这些积木就像单独的模块，并使用足够坚固的更长的部件将它们连接起来，以便在外部影响破坏链接之前足够长时间地维持积木之间的连接，”Srinivasa 说。

“只要量子比特之间有快速可靠的长距离连接，这种模块化方法就可以实现扩展，同时为自旋量子比特控制电路提供更多空间。”完全模块化的半导体量子处理器尚未得到验证。

虽然量子比特有很多种类型，它们相互作用的方式也多种多样，但研究人员选择研究基于量子点的自旋量子比特，它们通过超导腔中的微波光子相互作用。量子点是一种原子状结构，用于将电子(以及用于定义量子比特的其他粒子)限制在半导体内的小空间内，并通过施加电压单独控制它们。同样，超导腔是一种人造结构，可以限制光子，但比量子点大得多，其尺寸由微波波长决定。

最近的实验已经证明了使用微波腔光子实现量子点自旋量子比特之间的长距离连接。(首次演示硅中的两个自旋量子比特是由合著者 Jason Petta 的实验研究小组实现的。)

然而，论文指出，调整所有量子比特和光子频率，使它们精确匹配并交换能量(即所谓的共振状态)以建立连接，即使在两个量子比特级别，也是一个难题。为了解决这个问题，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，而不依赖于所有原始量子比特和腔频率之间的同时共振。

在他们的论文中，研究人员为量身定制的长距离纠缠链路提供了全面的指导，这种链路通过为每个量子比特提供多个频率来实现灵活性，从而与给定频率的微波腔光子相连接，“就像可以插入给定锁的多把钥匙一样”，斯里尼瓦萨说。

可以通过向每个自旋量子比特施加振荡电压来产生额外的频率，从而使自旋在量子点中来回移动。如果这种来回运动足够快，除了其特征频率外，还会为每个量子比特创建两个边带频率(一个频率高于原始量子比特频率，一个频率低于原始量子比特频率)。

边带频率的添加产生了三种将每个量子位调谐到与微波腔光子共振的方式，从而产生了两个量子位可以链接的九种不同条件。

这种共振条件的灵活性使得向系统添加量子比特变得容易得多，因为它们不需要全部调整到相同的频率。此外，两个量子比特的九种连接方式使得只需适当设置振荡电压即可选择几种不同类型的纠缠操作，而无需修改量子点或腔光子的结构。

纠缠链接类型的多样性使得执行计算的基本量子操作集得以扩展。最后，研究人员表明，他们提出的纠缠方法对腔外光子的泄漏比以前的方法更不敏感，从而允许自旋量子比特之间建立更强大的长距离链接。

斯里尼瓦萨说：“频率匹配的灵活性、定制量子比特之间量子纠缠操作类型的多功能性以及对腔光子泄漏的降低的敏感性，使得我们提出的基于边带频率的方法有望实现使用半导体量子比特的模块化量子处理器。”

“我对下一步感到很兴奋，那就是将这些想法应用到实验室中的真实量子设备中，并找出我们需要做些什么才能使这种方法在实践中发挥作用。”

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