摘要：研究人员开发了一种新型互连，可以支持一系列超导量子处理器之间的可扩展、全对全通信，使携带信息的光子能够以用户定义的方向在处理器之间传播。这里说明了这一概念。

研究人员开发了一种新型互连，可以支持一系列超导量子处理器之间的可扩展、全对全通信，使携带信息的光子能够以用户定义的方向在处理器之间传播。这里说明了这一概念。

量子计算机有可能解决最强大的传统超级计算机也无法破解的复杂问题。

就像传统计算机具有必须协同工作的独立但又相互连接的组件（例如主板上的内存芯片和 CPU）一样，量子计算机需要在多个处理器之间传递量子信息。

目前用于连接超导量子处理器的架构是“点对点”的连接，这意味着它们需要在网络节点之间进行一系列传输，并且具有复合错误率。

在克服这些挑战的过程中，麻省理工学院的研究人员开发了一种新型互连设备，可以支持可扩展的“全对全”通信，这样网络中的所有超导量子处理器都可以直接相互通信。

他们创建了一个由两个量子处理器组成的网络，并利用它们的互连按用户定义的方向按需来回发送微波光子。光子是可以携带量子信息的光粒子。

该设备包含一根超导导线或波导，用于在处理器之间传送光子，并可以根据需要路由到任意远的地方。研究人员可以将任意数量的模块连接到该设备，从而在可扩展的处理器网络之间高效传输信息。

他们利用这种互连展示了远程纠缠，这是一种没有物理连接的量子处理器之间的关联。远程纠缠是开发由许多量子处理器组成的强大分布式网络的关键一步。

“未来，量子计算机可能既需要局部互连，又需要非局部互连。局部互连在超导量子比特阵列中很常见。我们的互连允许更多非局部连接。我们可以以不同的频率、时间和两个传播方向发送光子，这为我们的网络提供了更大的灵活性和吞吐量，”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、互连论文的主要作者 Aziza Almanakly 说道。

她的合著者包括 EQuS 小组的研究生 Beatriz Yankelevich；资深作者 William D. Oliver，亨利·埃利斯·沃伦 (1894) 电气工程和计算机科学 (EECS) 教授和物理学教授、量子工程中心主任和 RLE 副主任；以及麻省理工学院和林肯实验室的其他人。这项研究今天发表在《自然物理》杂志上。

（来源：Nature Physics）

可扩展的架构

研究人员 之前开发了一个量子计算模块，使他们能够沿着波导向任一方向发送携带信息的微波光子。

在新的研究中，他们将该架构更进一步，将两个模块连接到波导，以便向所需的方向发射光子，然后在另一端吸收它们。

每个模块由四个量子位组成，作为承载光子的波导和更大的量子处理器之间的接口。

与波导耦合的量子位发射和吸收光子，然后将光子传输到附近的数据量子位。

研究人员使用一系列微波脉冲为量子比特增加能量，然后发射光子。仔细控制这些脉冲的相位可以产生量子干涉效应，使它们能够沿波导向任一方向发射光子。及时反转脉冲可以使任意距离的另一个模块中的量子比特吸收光子。

奥利弗解释道：“发射和捕捉光子使我们能够在非局部量子处理器之间建立‘量子互连’，而量子互连则带来远程纠缠。”

“生成远程纠缠是从较小规模模块构建大规模量子处理器的关键一步。即使在光子消失之后，我们仍然拥有两个遥远或‘非本地’量子比特之间的相关性。远程纠缠使我们能够利用这些相关性并在两个量子比特之间执行并行操作，即使它们不再连接并且可能相距很远，”Yankelevich 解释道。

然而，在两个模块之间传输一个光子并不足以产生远程纠缠。研究人员需要准备量子比特和光子，以便模块在协议结束时“共享”光子。

产生纠缠

研究小组通过在光子发射脉冲持续时间的一半时停止发射来实现这一点。从量子力学的角度来看，光子既被保留又被发射。从经典的角度来看，人们可以认为一半光子被保留，另一半被发射。

一旦接收模块吸收了该“半光子”，两个模块就会纠缠在一起。

但随着光子的传播，波导中的接头、线键合和连接会使光子变形，从而限制接收模块的吸收效率。

为了产生具有足够高保真度或准确度的远程纠缠，研究人员需要最大限度地提高光子在另一端被吸收的频率。

“这项工作的挑战是适当塑造光子，以便我们能够最大限度地提高吸收效率，”阿尔玛纳克利说。

他们使用强化学习算法来“预扭曲”光子。该算法优化了协议脉冲，以便塑造光子，实现最大吸收效率。

当他们实施这种优化的吸收协议时，他们能够显示出超过 60% 的光子吸收效率。

这个吸收效率足够高，可以证明协议末尾产生的状态是纠缠的，这是本次演示的一个重要里程碑。

“我们可以利用这种架构创建一个具有全连接性的网络。这意味着我们可以在同一条总线上拥有多个模块，并且可以在我们选择的任意一对之间创建远程纠缠，”Yankelevich 说道。

未来，他们可以通过优化光子传播路径来提高吸收效率，或许可以通过 3D 集成模块来代替使用超导导线连接单独的微波封装。他们还可以使协议更快，从而减少错误累积的机会。

“原则上，我们的远程纠缠生成协议也可以扩展到其他类型的量子计算机和更大的量子互联网系统，”Almanakly 说。

这项工作部分由美国陆军研究办公室、AWS 量子计算中心和美国空军科学研究办公室资助。

来源：人工智能学家