NIST 的“拨动开关”和量子计算的未来

新设备可能会带来更通用、输出更清晰的量子处理器。

如果你无法读取它的输出，那么再强大的计算机又有什么用呢？ 或者轻松地重新编程以执行不同的功能？ 设计量子计算机的人们面临着这些挑战，而新设备可能会让解决这些挑战变得更容易。

该设备由美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的一组科学家提出，它包含两个超导量子位或量子位，它们是经典计算机处理芯片中逻辑量子位的量子计算机模拟。 这种新策略的核心依赖于一个“开关切换”设备，该设备将量子位连接到一个称为“读取谐振器”的电路，该电路可以读取量子位计算的输出。

拨动开关机构

该开关可以翻转到不同的状态，以调整量子位和读出谐振器之间的连接强度。 切换时，所有三个元件都相互隔离。 当打开连接两个量子位的开关时，它们可以交互并执行数学运算。 计算完成后，开关可以连接任何量子位和读取谐振器以检索结果。

拥有可编程开关对于减少噪声大有帮助，这是量子计算机电路中的一个常见问题，它使得量子位难以执行计算并清楚地显示其结果。

该图显示了设备的中央工作区域。 在下半部分，三个大（浅蓝色）矩形代表左右两侧的两个量子位以及中心的谐振器。 在放大的顶部，移动微波通过天线（底部的大深蓝色矩形）会在 SQUID 环（中心较小的白色方块，边长约 20 μm）中感应出磁场。 磁场激活拨动开关。 微波的频率和幅度决定了钥匙的位置以及量子位和谐振器之间的连接强度。 图片来源：R. Simmonds/NIST

增强性能和保真度

NIST 物理学家、该论文的作者之一雷·西蒙兹 (Ray Symonds) 表示：“我们的目标是让量子位保持快乐，这样它们就可以在不分心的情况下进行计算，同时在我们想要的时候仍然可以阅读它们。” “这种设备架构有助于保护量子位，并有望提高我们进行从量子位构建量子信息处理器所需的高精度测量的能力。”

该团队还包括来自马萨诸塞州洛厄尔大学、科罗拉多大学博尔德分校和雷神 BBN 技术公司的科学家，他们在最近发表在该杂志上的一篇论文中描述了其发现。 自然物理学。

量子计算：现状与挑战

仍在不断发展的量子计算机将利用量子力学的奇异特性来完成即使是我们最强大的经典计算机也难以解决的工作，例如通过运行复杂的化学反应模拟来帮助开发新药。 。

然而，量子计算机设计者仍然面临许多问题。 其中一个因素是量子电路受到外部甚至内部噪声的影响，这些噪声是由用于制造计算机的材料的缺陷引起的。 这种噪声本质上是随机行为，可能导致量子位计算错误。

量子计算中的噪声问题

现有的量子位本身就存在噪声，但这并不是唯一的问题。 许多量子计算机设计都采用所谓的静态架构，其中处理器中的每个量子位都与其邻居及其自己的读取谐振器物理绑定。 将量子位连接在一起的装配线及其读数会使它们暴露在更多噪音中。

这种静态结构还有另一个缺点：它们不能轻易地重新编程。 固定架构的量子位可以执行一些相关功能，但是对于计算机来说，要执行广泛的任务，它需要切换到具有不同量子位组织或布局的不同处理器设计。 （想象一下，每次需要使用不同的程序时都要更换笔记本电脑中的芯片，然后请记住，芯片需要保持在其顶部的小尺寸 绝对零度，你就会明白为什么这是不合适的。）

可编程拨动开关解决方案

团队可编程拨动开关可以避免这两个问题。 首先，它可以防止电路噪声通过读出谐振器进入系统，并防止量子位在本应安静的情况下相互对话。

“这减少了量子计算机中的主要噪声源，”西蒙兹说。

其次，元件之间开关的打开和关闭是由从远处发送的一系列微波脉冲控制的，而不是由静态架构的物理连接控制的。 结合更多这样的开关可以成为易于编程的量子计算机的基础。 微波脉冲还可以指定逻辑操作的顺序和顺序，这意味着可以指示由许多组开关构建的芯片执行任意数量的任务。

“这使得芯片可编程，”西蒙兹说。 “您可以通过软件进行更改，而不是在芯片上进行完全静态的构建。”

额外的好处和未来的方向

最后一个好处是开关还可以同时触发两个量子位的测量。 这种要求两个量子位以一对的形式显示自身的能力对于跟踪量子计算错误非常重要。

该演示中的量子位以及开关和读出电路均由超导组件制成，这些组件可以无电阻地导电，并且必须在极冷的温度下运行。 开关本身由超导量子干涉装置（即“SQUID”）制成，它对通过其回路的磁场非常敏感。 当需要时，通过附近的天线环移动微波电流可以引起量子位和读出谐振器之间的相互作用。

目前，该团队仅使用了两个量子位和一个读取谐振器，但西蒙兹表示，他们正在准备一种具有三个量子位和两个读取谐振器的设计，并计划添加更多量子位和谐振器。 更多的研究可以深入了解有多少这些设备可以连接在一起，这可以提供一种方法来创建具有足够量子位的强大量子计算机，以解决目前无法克服的各种问题。

参考文献：“静态离散双量子位腔 QED 系统中的强色散参数变换”作者：T. Noh、Z. Xiao、XY Jin、K. Cicak、E. Doucet、J. Aumentado、LCG Govia、L. Ranzani、A Kamal 和 RW Simmonds，2023 年 6 月 26 日，可在此处获取。 自然物理学。
DOI：10.1038/s41567-023-02107-2