超導電路新設計有望提升量子處理器速度

科技日報訊 （記者張佳欣）據新一期《自然·通訊》雜誌報道，美國麻省理工學院團隊展示的全新超導電路設計，有望使量子處理器速度提高10倍。這是量子系統中迄今為止所能實現的最強非線性光物質耦合，此舉可讓未來的量子計算機運行更快、更穩定，並向實用化邁進一步。

量子計算機潛力巨大，未來能快速模擬新材料，或者極大提高人工智能的學習效率。然而，這些應用實現的前提是量子計算機能以極快速度完成複雜運算，同時迅速讀出計算結果。而這一測量過程的效率，即讀取效率，取決於光子與人工原子（量子計算機中常用於存儲信息的物質單元）之間的耦合強度。

此次團隊採用的超導電路設計，其非線性光物質耦合強度比之前演示的高出一個數量級，朝着實現可在幾納秒內完成的量子運算和讀取邁出了關鍵一步。

團隊在2019年開始研發一種專門的光子探測器，以增強量子信息處理能力。其間他們發明了一種名為“四分量耦合器”的新型量子耦合器。這個裝置像是一個“翻譯器”，能促進量子比特之間高效交換信息。其工作原理是：當人們向耦合器注入電流時，它能增強量子比特和光信號之間的相互作用，產生非常強的非線性耦合。簡而言之，就是讓光和物質之間的“對話”更加高效、精準。

在實驗中，團隊將這種耦合器連接到芯片上的兩個超導量子比特，其中一個量子比特轉變為諧振器，相當於一個讀取器，用來檢測量子比特的狀態。另一個被當作人工原子，用來存儲量子信息，其中信息以光子形式傳輸。當微波光照射到這個系統上時，諧振器會根據量子比特是“0”還是“1”而發生頻率變化。研究人員通過監測這種變化就能判斷比特的狀態。

結果，四分量耦合器在量子比特和諧振器之間產生的非線性光物質耦合強度，比之前實現的強度高出一個數量級。這不僅加快了讀取速度，還減少了誤差，使得量子比特能在壽命內完成更多次計算與糾錯操作。

從長遠來看，這項研究有助於科學家構建容錯量子計算機，這對於實際的、大規模的量子計算至關重要。