Nature：麻省理工人造「巨型原子」問世，量子處理和量子通信合二為一

一直以來，量子計算機都是一個神秘且「高大上」的存在。中國科學院院士潘建偉曾這樣打比方說：如果傳統計算機的速度是「自行車」，那么量子計算機的速度就是「飛機」。量子計算機的極高運算速度源于奇妙的量子特性。傳統計算機的基礎是比特：一切都是「0」或「1」。量子計算機使用量子比特，它既可以是「0」，也可以是「1」。

就憑這點，量子計算機完勝傳統計算機。

但是，急性子的量子計算機卻有一個致命弱點———量子比特十分脆弱，一不留神，就會失去其特殊的量子特性。所以，就會經常出錯，還可能在傳輸信息時迅速衰減。

「量子計算機的主要挑戰之一，是使量子比特不在同一位置時能交互。」麻省理工學院電子研究實驗室主任、電子工程與計算機科學教授William Olive表示，「例如，最近的量子比特可以很容易地交互，但是，該如何遠處連接的量子比特在遠處交互呢？」

答案在于反常的光-物質相互作用。

光子-原子量子結構

光與其他物質之間的相互作用引起了各種各樣的物理反應，一直都被廣泛研究。

哈佛物理學教授埃文斯曾說：「設計一個相互作用非常強的系統并不難，但是其中隨之產生的、與環境強烈的相互作用也會導致噪音和干擾。因此，你必須讓系統環境極其純凈，但這是一個巨大的挑戰，因為我們選擇在一個完全不同的運作機制下進行實驗。我們選用光子的原因，是因為它與一切物質的相互作用都很微弱。」

與光的波長相比，天然原子小，且呈點狀。但超導的「人造原子」不會這樣。

用可見光和微波來驅使它們發出攜帶量子信息的光子，可以保護量子比特中的信息。

此外，即使沒有光子從巨大的原子中釋放出來，沿著波導的多個量子比特仍然能夠相互作用來執行操作。

巨型人造原子？它是可調節的

簡單來說，人造原子實際上是一個超導電路，只是它們的表現得像一個原子。與天然原子一樣，它們也能得到電子，被激發，而后也能通過發光的方式將能量釋放出去。

據此，研究人員構造了「巨型原子」。兩個超導量子比特充當巨大的人造原子。這些 「原子」受到保護，不會被退相干，但仍然通過波導相互作用

這種「巨型原子」的特殊性在于，它是可調節的。研究人員可以調整量子比特-波導（即電磁波導）相互作用的強度。這樣一來，利用波導加速，脆弱的量子比特就可以在執行高保真操作時免受退相干或自然衰減的影響。

為什么要這么做呢？

一旦計算完成，量子比特與波導耦合（相互作用、相互影響）的強度就會重新調整，量子比特就能夠以光子的形式將量子數據釋放到波導中。

「將量子比特耦合到波導通常對量子比特操作非常不利，因為這樣做會大大縮短量子比特的壽命。」 麻省理工學院研究生、該論文第一作者Bharath Kannan表示， 「但是，為了在整個處理器中釋放和傳輸量子信息，波導又是必不可少的。在這里，我們證明了即使量子比特與波導強耦合，也有可能保持它的相干性。然后我們就有能力決定什么時候釋放存儲在量子比特中的信息。我們已經展示了如何使用巨型原子來開啟和關閉與波導的相互作用。」

量子處理與量子通訊融為一體，2量子比特糾纏的保真度為94%

研究人員說，這代表了一種新的光-物質相互作用機制。由于「巨型原子」本質上是電路，當與波導耦合時，與之相互作用的微波波長一樣大的結構。

通過「巨型原子」可以執行低誤差量子計算，同時還可以在處理器之間快速共享量子通訊信息。這項工作使量子信息處理和量子通訊成為一體，是向完整的量子平臺邁出的關鍵一步。

據研究人員觀察，并入巨型原子的量子比特的相干時間大約為30微秒，這意味著量子比特保持在量子狀態的時間，與未耦合到波導的量子比特的相干時間幾乎相同，而波導的耦合時間范圍在10到100微秒之間。

此外，該研究還演示了2量子比特糾纏的保真度為94%。這是研究人員首次為強耦合波導的量子比特引用雙量子比特保真度。因為在這種結構中，使用傳統小原子進行此類操作的保真度通常很低。

實驗裝置

Kannan還表示，通過更多的校準、操作調整程序和優化的硬件設計，保真度可以進一步提高。