Nature：麻省理工人造「巨型原子」问世，量子处理和量子通信合二为一

【新智元导读】在量子计算中，交互就是一切。量子计算机的主要挑战之一，就是如何让稍远距离的量子比特也能交互。一项发表于《自然》上的论文有了新的进展。

一直以来，量子计算机都是一个神秘且「高大上」的存在。中国科学院院士潘建伟曾这样打比方说：如果传统计算机的速度是「自行车」，那么量子计算机的速度就是「飞机」。量子计算机的极高运算速度源于奇妙的量子特性。传统计算机的基础是比特：一切都是「0」或「1」。量子计算机使用量子比特，它既可以是「0」，也可以是「1」。

就凭这点，量子计算机完胜传统计算机。

但是，急性子的量子计算机却有一个致命弱点———量子比特十分脆弱，一不留神，就会失去其特殊的量子特性。所以，就会经常出错，还可能在传输信息时迅速衰减。

「量子计算机的主要挑战之一，是使量子比特不在同一位置时能交互。」麻省理工学院电子研究实验室主任、电子工程与计算机科学教授William Olive表示，「例如，最近的量子比特可以很容易地交互，但是，该如何远处连接的量子比特在远处交互呢？」

答案在于反常的光-物质相互作用。

光与其他物质之间的相互作用引起了各种各样的物理反应，一直都被广泛研究。

哈佛物理学教授埃文斯曾说：「设计一个相互作用非常强的系统并不难，但是其中随之产生的、与环境强烈的相互作用也会导致噪音和干扰。因此，你必须让系统环境极其纯净，但这是一个巨大的挑战，因为我们选择在一个完全不同的运作机制下进行实验。我们选用光子的原因，是因为它与一切物质的相互作用都很微弱。」

与光的波长相比，天然原子小，且呈点状。但超导的「人造原子」不会这样。

用可见光和微波来驱使它们发出携带量子信息的光子，可以保护量子比特中的信息。

此外，即使没有光子从巨大的原子中释放出来，沿着波导的多个量子比特仍然能够相互作用来执行操作。 

简单来说，人造原子实际上是一个超导电路，只是它们的表现得像一个原子。与天然原子一样，它们也能得到电子，被激发，而后也能通过发光的方式将能量释放出去。

据此，研究人员构造了「巨型原子」。

两个超导量子比特充当巨大的人造原子。这些 「原子」受到保护，不会被退相干，但仍然通过波导相互作用

这种「巨型原子」的特殊性在于，它是可调节的。研究人员可以调整量子比特-波导（即电磁波导）相互作用的强度。这样一来，利用波导加速，脆弱的量子比特就可以在执行高保真操作时免受退相干或自然衰减的影响。

为什么要这么做呢？

一旦计算完成，量子比特与波导耦合（相互作用、相互影响）的强度就会重新调整，量子比特就能够以光子的形式将量子数据释放到波导中。

 「将量子比特耦合到波导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。」 麻省理工学院研究生、该论文第一作者Bharath Kannan表示， 「但是，为了在整个处理器中释放和传输量子信息，波导又是必不可少的。在这里，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。然后我们就有能力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，这代表了一种新的光-物质相互作用机制。由于「巨型原子」本质上是电路，当与波导耦合时，与之相互作用的微波波长一样大的结构。

通过「巨型原子」可以执行低误差量子计算，同时还可以在处理器之间快速共享量子通讯信息。这项工作使量子信息处理和量子通讯成为一体，是向完整的量子平台迈出的关键一步。

据研究人员观察，并入巨型原子的量子比特的相干时间大约为30微秒，这意味着量子比特保持在量子状态的时间，与未耦合到波导的量子比特的相干时间几乎相同，而波导的耦合时间范围在10到100微秒之间。

此外，该研究还演示了2量子比特纠缠的保真度为94%。这是研究人员首次为强耦合波导的量子比特引用双量子比特保真度。因为在这种结构中，使用传统小原子进行此类操作的保真度通常很低。

实验装置

Kannan还表示，通过更多的校准、操作调整程序和优化的硬件设计，保真度可以进一步提高。