超导电路新设计有望提升量子处理器速度
记者 张佳欣
据新一期《自然·通讯》杂志报道，美国麻省理工学院团队展示的全新超导电路设计，有望使量子处理器速度提高10倍。这是量子系统中迄今为止所能实现的最强非线性光物质耦合，此举可让未来的量子计算机运行更快、更稳定，并向实用化迈进一步。
量子计算机潜力巨大，未来能快速模拟新材料，或者极大提高人工智能的学习效率。然而，这些应用实现的前提是量子计算机能以极快速度完成复杂运算，同时迅速读出计算结果。而这一测量过程的效率，即读取效率，取决于光子与人工原子（量子计算机中常用于存储信息的物质单元）之间的耦合强度。
此次团队采用的超导电路设计，其非线性光物质耦合强度比之前演示的高出一个数量级，朝着实现可在几纳秒内完成的量子运算和读取迈出了关键一步。
团队在2019年开始研发一种专门的光子探测器，以增强量子信息处理能力。其间他们发明了一种名为“四分量耦合器”的新型量子耦合器。这个装置像是一个“翻译器”，能促进量子比特之间高效交换信息。其工作原理是：当人们向耦合器注入电流时，它能增强量子比特和光信号之间的相互作用，产生非常强的非线性耦合。简而言之，就是让光和物质之间的“对话”更加高效、精准。
在实验中，团队将这种耦合器连接到芯片上的两个超导量子比特，其中一个量子比特转变为谐振器，相当于一个读取器，用来检测量子比特的状态。另一个被当作人工原子，用来存储量子信息，其中信息以光子形式传输。当微波光照射到这个系统上时，谐振器会根据量子比特是“0”还是“1”而发生频率变化。研究人员通过监测这种变化就能判断比特的状态。
结果，四分量耦合器在量子比特和谐振器之间产生的非线性光物质耦合强度，比之前实现的强度高出一个数量级。这不仅加快了读取速度，还减少了误差，使得量子比特能在寿命内完成更多次计算与纠错操作。
从长远来看，这项研究有助于科学家构建容错量子计算机，这对于实际的、大规模的量子计算至关重要。