NIST“拨动开关”能够在一定程度上帮助量子计算机消除噪音

  如果你无法读取计算机的输出，那么再强大的计算机又有什么用呢？或者轻松地对其进行重新编程以完成不同的工作？设计量子计算机的人们面临着这些挑战，而一种新设备可能会让这些挑战更容易解决。

  该设备由美国国家标准与技术研究所的一组科学家推出，包括两个超导量子位，即量子位，它们是量子计算机与经典计算机处理芯片中逻辑位的类似物。这种新策略的核心依赖于一个“切换开关”设备，该设备将量子位连接到一个称为“读出谐振器”的电路，该电路能读取量子位计算的输出。

  该拨动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。当关闭时，所有三个元件都彼此隔离。当开关打开以连接两个量子位时，它们能交互并执行计算。计算完成后，切换开关可以连接任一量子位和读出谐振器以检索结果。

  拥有可编程拨动开关对于减少噪声大有帮助，噪声是量子计算机电路中的一个普遍的问题，使得量子位难以进行计算并清楚地显示其结果。

  美国国家标准与技术研究所物理学家、该论文的作者之一Ray Simmonds表示：“我们的目标是让量子位保持快乐，这样它们就可以不受干扰地进行计算，同时仍然能够在我们想的时候读出它们。这种设备架构有助于保护量子位，并有望提高咱们进行用量子位构建量子信息处理器所需的高保真测量的能力。”

  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6月26日发表在《自然物理学》上的一篇论文中描述了其研究结果。

  量子计算机仍处于发展的初级阶段，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处理的工作，例如通过对化学相互作用进行复杂的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。其中之一是量子电路会受到外部甚至内部噪声的干扰，这些噪声是由制造计算机的材料中的缺陷引起的。这种噪声本质上是随机行为，可能会在量子位计算中产生错误。

  当今的量子位本身就有噪音，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读出谐振器物理连接。将量子位连接在一起并与其读出的装配布线可能会使它们暴露在更多的噪声中。

  这种静态架构还有另一个缺点：它们不能轻易地重新编程。静态体系结构的量子位可以做一些相关的工作，但为了让计算机执行更广泛的任务，它需要用不同的量子位组织来交换不同的处理器设计。（想象一下，每次你需要用不同的软件时，都要更换笔记本电脑中的芯片，然后考虑到芯片需要保持在绝对零度以上一点点，你就会明白为什么这可能会很不方便。）

  该团队的可编程拨动开关回避了这两个问题。首先，它可以有效的预防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。

  其次，元件之间开关的打开和闭合是通过从远处发送的一系列微波脉冲控制的，而不是通过静态架构的物理连接。集成更多的这些拨动开关可能是更容易编程的量子计算机的基础。微波脉冲还可设为逻辑操作的顺序，这在某种程度上预示着用团队的许多拨动开关构建的芯片可以被指示执行任何数量的任务。

  Simmonds说：“这使得芯片可编程。您能够最终靠软件进行更改，而不是在芯片上拥有完全固定的架构。”

  最后一个好处是，拨动开关还可以同时开启两个量子位的测量。这种要求两个量子位显示为一对的能力对于追踪量子计算误差很重要。

  这次演示中的量子位，以及拨动开关和读出电路，都是由超导部件制成的，这些部件可以在没有电阻的情况下导电，并且必须在非常冷的温度下工作。拨动开关本身是由超导量子干涉装置制成的，该装置对通过其回路的磁场非常敏感。当需要时，驱动微波电流通过附近的天线环可以引起量子位和读出谐振器之间的相互作用。

  目前，该团队只使用了两个量子位和一个读出谐振器，但Simmonds表示，他们正在准备一个使用三个量子位和一个读取谐振器的设计，他们还计划添加更多的量子位。进一步的研究可以进一步探索如何将其中许多设备连接在一起，从而有可能提供一种方法来构建有充足量子位的强大量子计算机，能解决目前没有办法解决的很多问题。