Nature：“巨型原子”使芯片同时处理和收发量子信息成为可能

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MIT 研究团队设计了一个开关系统，允许在处理器之间进行高保真操作和互连。

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来源 麻省理工学院

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麻省理工学院（MIT）的研究人员介绍了一种量子计算架构，它可以执行低错误的量子计算，同时在处理器之间快速共享量子信息。这项工作代表了迈向完整量子计算平台的关键一步。

在这一发现之前，小型量子处理器执行任务的速度已经达到经典计算机的指数级倍数。然而，在处理器的不同部分之间控制量子信息的通信一直很困难。在经典计算机的计算过程中，在处理器中来回传输信息使用的是有线线路连接；然而在量子计算机中，信息本身是量子力学的，而且很脆弱，需要全新的策略来同时在芯片上处理和传输量子信息。

MIT 电子工程与计算机科学副教授、林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）研究员、电子研究实验室（Research Laboratory for Electronics）副主任 William Oliver 说：“规模化量子计算机的主要挑战之一是，当量子位不在同一地点时，如何使它们相互作用。例如，最邻近的量子比特之间可以很容易地相互作用，但是我要如何建立‘量子互连’，来连接较远位置的量子比特呢？”

答案在于超越传统的光-物质相互作用。

尽管天然的原子相对于它们相互作用的光波波长来说很小，可以被视为点，但在一篇发表在《自然》（Nature）杂志上的论文中，研究人员指出，超导的“人造原子”并非如此。相反，他们用超导量子比特构建了“巨型原子”，并以可调协的配置连接到微波传输线（即波导）上。

这使得研究人员可以调整量子比特-波导相互作用的强度，这样脆弱的量子比特就可以在执行高保真操作时免受退相干影响，这是一种自然衰减，会使量子比特被波导加速。一旦这些计算完成，量子比特-波导耦合的强度就会被重新调整，量子比特能够以光子的形式将量子数据释放到波导中。

MIT 研究生、该论文的第一作者 Bharath Kannan 说：“将量子比特与波导耦合通常对量子比特操作非常不利，因为这样做会大大缩短量子比特的寿命。然而，为了在整个处理器中释放和传输量子信息，波导是必须的。本研究中，我们证明了即使量子比特与波导强耦合，也有可能保持它的相干性。然后我们就能够决定什么时候释放存储在量子比特中的信息。我们已经展示了如何使用巨型原子来开启和关闭与波导的相互作用。”

研究人员说，他们实现的这个系统展示了一种新的光-物质相互作用机制。与将原子视为比它们所接触光的波长更小的点状物体的模型不同，超导量子比特，或者说人造原子，本质上是大型电路。当与波导耦合时，它们会产生一种结构，其尺寸与和它们相互作用的微波光的波长相当。

这个巨型原子以微波光子的形式在波导的多个位置发射信息，这样光子就会相互干涉。这个过程可以被调整成完全的破坏性干涉，这意味着量子比特中的信息是受保护的。此外，即使实际上没有光子从巨型原子中释放出来，沿着波导的多个量子比特仍然能够相互作用来执行操作。在整个过程中，量子比特仍然与波导保持强耦合，但由于这种类型的量子干涉，当单量子比特和双量子比特操作被高保真地执行时，量子比特可以不受波导的影响，从而不受退相干的影响。

Oliver 说：“我们利用巨型原子产生的量子干涉效应来阻止量子比特将它们的量子信息释放到波导中，直到我们需要它为止。”

Kannan 说：“这让我们能够通过实验探索一种新的物理机制，而这种机制很难用天然原子来实现。巨型原子的作用非常清晰，很容易观察和理解。”

Kannan 补充说，这项工作似乎有很大的潜力，值得进一步的研究。

他说：“我认为令人惊讶的是，超导量子比特能够相对轻松地进入这个巨型原子区域。我们使用的技巧相对简单，因此，可以想象能在没有大量额外开销的情况下将其用于进一步的应用。”

研究人员表示，量子比特整合入巨型原子的相干时间，也就是它们保持在量子状态的时间，大约为 30 微秒，与未耦合到波导的量子位元的相干时间几乎相同，范围在 10 到 100 微秒之间。

此外，该研究还证明双量子比特的纠缠操作有 94% 的保真度。这是首次使用与波导强耦合的量子比特实现双量子比特的保真度，在这种结构中使用传统小原子进行此类操作的保真度通常很低。Kannan说，通过更多的校准、操作调整程序和优化的硬件设计，其保真度可以进一步提高。

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/miot-ae072720.php 

论文信息

[论文标题] Waveguide quantum electrodynamics with superconducting artificial giant atoms

[论文作者] Bharath Kannan, Max J. Ruckriegel, Daniel L. Campbell, Anton Frisk Kockum, Jochen Braumüller, David K. Kim, Morten Kjaergaard, Philip Krantz, Alexander Melville, Bethany M. Niedzielski, Antti Vepsäläinen, Roni Winik, Jonilyn L. Yoder, Franco Nori, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson & William D. Oliver

[发表时间] 2020年7月29日

[发表期刊] Nature

[论文链接] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2529-9 

[论文编号] 10.1038/s41586-020-2529-9

[论文摘要] Models of light–matter interactions in quantum electrodynamics typically invoke the dipole approximation1,2, in which atoms are treated as point-like objects when compared to the wavelength of the electromagnetic modes with which they interact. However, when the ratio between the size of the atom and the mode wavelength is increased, the dipole approximation no longer holds and the atom is referred to as a ‘giant atom’2,3. So far, experimental studies with solid-state devices in the giant-atom regime have been limited to superconducting qubits that couple to short-wavelength surface acoustic waves4,5,6,7,8,9,10, probing the properties of the atom at only a single frequency. Here we use an alternative architecture that realizes a giant atom by coupling small atoms to a waveguide at multiple, but well separated, discrete locations. This system enables tunable atom–waveguide couplings with large on–off ratios3 and a coupling spectrum that can be engineered by the design of the device. We also demonstrate decoherence-free interactions between multiple giant atoms that are mediated by the quasi-continuous spectrum of modes in the waveguide—an effect that is not achievable using small atoms11. These features allow qubits in this architecture to switch between protected and emissive configurations in situ while retaining qubit–qubit interactions, opening up possibilities for high-fidelity quantum simulations and non-classical itinerant photon generation12,13.