麻省理工学院：新的量子计算架构可用于连接大型设备

量子计算机有望执行某些任务，即使在世界上最强大的超级计算机上也是如此。在未来，科学家们预计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，其影响可能跨越金融到制药。

但是，实现这一承诺需要弹性和可扩展的硬件。构建大规模量子计算机的一个挑战是，研究人员必须找到一种有效的方法来互连量子信息节点 - 跨计算机芯片分离的较小规模的处理节点。由于量子计算机与经典计算机有着根本的不同，因此用于传达电子信息的传统技术不会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，都必须发送和接收所携带的信息。

为此，麻省理工学院的研究人员开发了一种量子计算架构，可以实现超导量子处理器之间的可扩展、高保真通信。在发表在《自然物理学》上的工作中，麻省理工学院的研究人员展示了第一步，即在用户指定的方向上确定性发射单光子（信息载体）。他们的方法确保量子信息在96%以上的时间内以正确的方向流动。

连接其中几个模块可以实现更大的量子处理器网络，这些处理器彼此互连，无论它们在计算机芯片上的物理分离如何。

“量子互连是迈向由较小的单个组件构建的更大规模机器的模块化实现的关键一步，”Bharath Kannan博士'22说，他是描述这种技术的研究论文的共同主要作者。

“在较小的子系统之间进行通信的能力将为量子处理器提供模块化架构，与使用单个大型复杂芯片的蛮力方法相比，这可能是一种更简单的扩展到更大系统尺寸的方法，”Kannan补充道。

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

移动量子信息

在传统的经典计算机中，各种组件执行不同的功能，例如内存，计算等。电子信息被编码和存储为位（取值为1s或0s），使用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。

但量子信息更为复杂。量子信息不仅可以保持 0 或 1 的值，还可以同时为 0 和 1（这种现象称为叠加）。此外，量子信息可以由光粒子携带，称为光子。这些增加的复杂性使量子信息变得脆弱，并且不能简单地使用传统协议进行传输。

量子网络使用光子连接处理节点，这些光子通过称为波导的特殊互连传播。波导可以是单向的，并且仅向左或向右移动光子，也可以是双向的。

大多数现有架构使用单向波导，由于光子传播的方向很容易确定，因此更容易实现。但是由于每个波导只在一个方向上移动光子，随着量子网络的扩展，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，这会导致通信错误。

“如果我们有一个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'就是我们所展示的，它是迈向具有更高保真度的双向通信的第一步，“Kannan说。

使用它们的架构，可以沿着一个波导串起多个处理模块。他说，架构设计的一个显着特点是，同一模块可以同时用作发射器和接收器。光子可以由任何两个模块沿着公共波导发送和捕获。

“我们只有一个物理连接，可以沿途有任意数量的模块。这就是使其可扩展的原因。在展示了一个模块的定向光子发射后，我们现在正在努力在第二个模块下游捕获该光子，“Almanakly补充道。

利用量子特性

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构建块，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。向量子比特添加能量会导致量子比特被激发，然后当它去激发时，量子比特将以光子的形式发射能量。

但是，简单地将一个量子比特连接到波导并不能确保方向性。单个量子比特发射光子，但它是向左还是向右传播是完全随机的。为了规避这个问题，研究人员利用两个量子比特和一种称为量子干涉的特性来确保发射的光子沿正确的方向传播。

该技术涉及在称为贝尔状态的单激发纠缠状态下准备两个量子比特。这种量子力学状态包括两个方面：左量子比特被激发，右量子比特被激发。这两个方面同时存在，但在给定时间激发哪个量子比特是未知的。

当量子比特处于这种纠缠贝尔状态时，光子同时有效地发射到两个量子比特位置的波导，这两个“发射路径”相互干扰。根据贝尔状态内的相对相位，产生的光子发射必须向左或向右传播。通过准备具有正确相位的贝尔状态，研究人员选择了光子穿过波导的方向。

他们可以使用相同的技术，但反过来，在另一个模块上接收光子。

“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，那么光子就会经过。这类似于将收音机调谐到特定电台。如果我们选择正确的无线电频率，我们将拾取以该频率传输的音乐，“Almanakly说。

研究人员发现，他们的技术达到了超过96%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，研究人员希望连接多个模块并使用该过程发射和吸收光子。这将是朝着开发模块化架构迈出的重要一步，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。