量子计算重大进展！新型耦合器助力运算速度提升10倍

量子计算机，被誉为下一代计算技术的革命，它利用量子力学特有的叠加态和纠缠态，理论上可以在几秒内完成传统超级计算机需要数千年才能解决的问题。其有可能彻底改变材料科学和人工智能等领域，或模拟复杂材料、或加速机器学习模型，使其远远超出当今的能力。

但这些应用只有在量子计算机能够极快地执行运算的情况下才有可能，这样科学家才能在复合错误率降低其准确性和可靠性之前进行测量和修正。这种测量过程（称为“读出”）的效率取决于光子（携带量子信息的光粒子）与人造原子（存储这些信息的量子元件）之间的耦合强度。

近日，麻省理工学院的研究人员通过超导电路中的石英耦合器实现了强非线性光物质耦合，展现了量子计算领域的重大进展。这一突破利用一种新型装置增强了量子比特与光子之间的相互作用，有望实现前所未有的量子运算和读出速度——比以往方法快 10 倍。增强的耦合强度对于克服量子计算目前的局限性至关重要，为实现能够进行可靠大规模计算的容错系统铺平了道路。

尽管该架构距离实际应用仍有距离，但论文第一作者 Yufeng Ye 指出，“这一基础物理原理的验证是关键突破，这将真正消除量子计算的瓶颈。传统方案必须在纠错环节间暂停运算以测量结果，而我们的技术能加速实现容错量子计算，让量子计算机真正产出实际应用价值。”

相关文章以题为“Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits”发表在Nature Communications期刊。

与他共同撰写该论文的还有 Kevin O'Brien。他是麻省理工学院电子研究实验室 (RLE) 的副教授兼首席研究员，领导着电子工程与计算机科学系 (EECS) 量子相干电子学小组。

新型耦合器

这次物理演示建立在 Kevin 团队多年的理论研究基础之上。Ye 于 2019 年以博士生身份加入实验室后，开始开发专门的光子探测器以增强量子信息处理。

通过这项工作，他发明了一种新型量子耦合器，这是一种促进量子比特之间相互作用的装置。这种所谓的量子耦合器在量子操作和读出方面有着众多潜在应用，因此很快成为实验室的研究重点。

量子比特是量子计算机的基石。与传统计算机的比特不同，量子比特对外界环境干扰极其敏感。微小的温度波动、电磁噪声，甚至是测量行为本身，都会破坏量子比特的量子态，导致"退相干"（decoherence）现象。这种退相干直接造成量子计算过程中的高错误率，也大大限制了量子计算机的实用化进程。

这种新型量子耦合器被设计为超导电路中的专用设备，用于增强量子比特之间的相互作用。该耦合器能够实现强非线性光物质耦合，这是高效执行大多数量子算法的关键因素。通过增加流经耦合器的电流，研究人员实现了更稳健的非线性相互作用，这对于提升量子处理能力至关重要。

“量子计算中大多数有用的相互作用都来自光与物质的非线性耦合。如果能够获得更多样化的不同类型的耦合，并提高耦合强度，那么就能从根本上提高量子计算机的处理速度。”Ye 表示。

对于量子读出，研究人员将微波光照射到量子比特上，然后根据该量子比特处于状态 0 还是 1，其相关的读出谐振器上会发生频率偏移。他们测量这种偏移来确定量子比特的状态。量子比特和谐振器之间的非线性光物质耦合使得这一测量过程成为可能。

在读出方案中，研究团队将石英耦合器连接芯片上的两个超导量子比特，其中一个用作谐振器，另一个存储量子信息。这种装置能够通过微波光高效传输量子态，显著加快读出过程。这些改进至关重要，因为它们允许在量子比特有限的相干时间内进行更多轮纠错，从而减少整体计算误差，提高量子系统的可靠性。

“这些超导人造原子与传输信号的微波光之间的相互作用基本上就是整个超导量子计算机的构建方式，”Ye 解释道。

实现更快地读出

石英耦合器显著改善了超导量子比特与微波光之间的相互作用，从而加快了量子系统中的读出过程。通过连接芯片上的两个量子比特，该耦合器增强了量子态通过光子的传输，与之前的架构相比，缩短了读出时间。

这一进步对于维护量子计算的完整性尤为重要，因为更短的读出时间可以在量子比特有限的相干时间内实现更高效的纠错。耦合器在增强相互作用方面的作用可以降低错误率，从而支持可扩展的量子系统。

“这项工作并不是故事的结束。这是基础物理演示，但团队目前正在进行工作，以实现真正快速地读出。”Kevin 表示。

这将涉及添加额外的电子元件，例如过滤器，以产生可以并入更大的量子系统的读出电路。

研究人员还演示了极强的物质-物质耦合，这是另一种对量子操作至关重要的量子比特相互作用。这也是他们计划在未来研究中探索的另一个领域。

快速操作和读出对于量子计算机尤其重要，因为量子位具有有限的寿命。而更强的非线性耦合使量子处理器运行速度更快、误差更低，因此量子比特可以在相同的时间内执行更多操作。这意味着量子比特在其生命周期内可以进行更多轮纠错。“进行的错误校正次数越多，结果中的错误就越少。”

从长远来看，这项工作可以帮助科学家构建容错量子计算机，这对于实用的大规模量子计算至关重要。

https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-advance-toward-fault-tolerant-quantum-computer-0430