科技日報記者 張佳欣

據(jù)新一期《自然·通訊》雜志報道，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(tǒng)中迄今為止所能實現(xiàn)的最強非線性光物質(zhì)耦合，此舉可讓未來的量子計算機運行更快、更穩(wěn)定，并向?qū)嵱没~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(xiàn)的前提是量子計算機能以極快速度完成復雜運算，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，取決于光子與人工原子（量子計算機中常用于存儲信息的物質(zhì)單元）之間的耦合強度。

此次團隊采用的超導電路設計，其非線性光物質(zhì)耦合強度比之前演示的高出一個數(shù)量級，朝著實現(xiàn)可在幾納秒內(nèi)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(fā)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(fā)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(chǎn)生非常強的非線性耦合。簡而言之，就是讓光和物質(zhì)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?yōu)橹C振器，相當于一個讀取器，用來檢測量子比特的狀態(tài)。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(tǒng)上時，諧振器會根據(jù)量子比特是“0”還是“1”而發(fā)生頻率變化。研究人員通過監(jiān)測這種變化就能判斷比特的狀態(tài)。

結果，四分量耦合器在量子比特和諧振器之間產(chǎn)生的非線性光物質(zhì)耦合強度，比之前實現(xiàn)的強度高出一個數(shù)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(nèi)完成更多次計算與糾錯操作。

從長遠來看，這項研究有助于科學家構建容錯量子計算機，這對于實際的、大規(guī)模的量子計算至關重要。