新颖的“拨动开关”可能会带来更多功能的量子处理器输出更清晰

  这张照片显示了该设备的中心工作区域。在下图中，三个大矩形(浅蓝色)分别代表左右两个量子比特，以及中间的谐振器。在上面放大的部分，驱动微波通过天线(底部深蓝色大矩形)在SQUID环路(中间较小的白色正方形，其边长约为20微米)中产生磁场。磁场激活拨动开关。微波的频率和大小决定了量子位和谐振器之间的开关位置和连接强度。资料来源:R. Simmonds / NIST

  如果你不能读取输出，那么一台功能强大的电脑又有什么用呢?或者随时重新编程让它做不同的工作?设计量子计算机的人面临着这些挑战，而一种新设备可能会使这些挑战更容易解决。

  该设备由美国国家标准与技术研究院(NIST)的一组科学家介绍，包括两个超导量子比特，或量子位，这是量子计算机对经典计算机处理芯片中逻辑比特的模拟。这种新策略的核心依赖于一个“拨动开关”装置，该装置将量子位连接到一个称为“读出谐振器”的电路上，该电路能读取量子位的计算输出。

  这个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，这三个元素彼此隔离。当开关打开连接两个量子位时，它们能相互作用并进行计算。一旦计算完成，拨动开关可以连接量子位和读出谐振器中的任何一个来检索结果。

  拥有一个可编程的拨通开关对降低噪声大有帮助，噪声是量子计算机电路中的一个普遍的问题，它使量子比特难以进行计算并清楚地显示结果。

  该论文的作者之一、NIST物理学家雷·西蒙兹(Ray Simmonds)说:“我们的目标是让量子比特保持快乐，这样它们就可以在不受干扰的情况下进行计算，同时在我们想的时候仍然能够读出它们。”“这种设备架构有助于保护量子位，并有望提高我们用量子位构建量子信息处理器所需的高保真测量能力。”

  该团队还包括来自马萨诸塞大学洛厄尔分校、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》杂志上的一篇论文中描述了他们的研究结果。

  量子计算机仍处于发展的初级阶段，它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完成的工作，比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音的干扰，这些噪音是由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，可能会在量子位计算中产生错误。

  现在的量子位本身就有噪声，但这并不是唯一的问题。许多量子计算机设计都有所谓的静态架构，处理器中的每个量子位都与相邻的量子位和读出谐振器物理连接。将量子位连接在一起并连接到它们的读出器的人造电线可能会使它们暴露在更多的噪音中。

  这样的静态架构还有另一个缺点:它们不能轻易地重新编程。静态架构的量子位可以做一些相关的工作，但要让计算机执行更广泛的任务，就需要用不同的量子位组织或布局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就更换笔记本电脑的芯片，然后考虑到芯片需要保持在绝对零度以上，你就会明白为什么这样做可能会带来不便。)

  该团队的可编程拨动开关避开了这两个问题。首先，它可以有效的预防电路噪声通过读出谐振器潜入系统，并防止量子位在应该安静的时候相互交谈。

  其次，元件之间开关的打开和关闭是由从远处发送的微波脉冲序列控制的，而不是通过静态结构的物理连接。集成更多这样的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和顺序，这在某种程度上预示着由该团队的许多拨动开关组成的芯片可以被指示执行任何数量的任务。

  “这使得芯片可编程，”西蒙兹说。“你能够最终靠软件来改变芯片，而不是在芯片上拥有一个完全固定的架构。”

  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成对状态的能力对于追踪量子计算误差非常重要。

  这次演示中的量子比特，以及拨动开关和读出电路，都是由超导元件制成的，这些元件无电阻导电，必须在非常冷的温度下运行。拨动开关本身是由超导量子干涉装置(SQUID)制成的，该装置对通过其回路的磁场非常敏感。驱动微波电流通过附近的天线环路，可以在需要时诱导量子位元与读出谐振器之间的相互作用。

  在这一点上，该团队只使用了两个量子位和一个读出谐振器，但西蒙兹说，他们正在准备一个具有三个量子位和一个读出谐振器的设计，并且他们计划添加更多的量子位和谐振器。进一步的研究能够给大家提供如何将这些设备串联在一起的见解，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，以解决目前无法克服的很多问题。