如果無(wú)法讀取輸出結(jié)果，那么功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)又有什么用呢？或者無(wú)法隨時(shí)重新編程來(lái)完成不同的工作？設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的人面臨著這些挑戰(zhàn)，而一種新設(shè)備可能會(huì)讓這些問(wèn)題變得更容易解決。

【資料圖】

該設(shè)備由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)推出，包括兩個(gè)超導(dǎo)量子比特（或稱量子比特），量子比特是量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)處理芯片中邏輯比特的類似物。這種新策略的核心依賴于一個(gè)"撥動(dòng)開(kāi)關(guān)"裝置，它將量子比特連接到一個(gè)名為"讀出諧振器"的電路上，該電路可以讀出量子比特的計(jì)算輸出。

撥動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置

這個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)可以切換到不同的狀態(tài)，以調(diào)整量子比特與讀出諧振器之間的連接強(qiáng)度。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，所有三個(gè)元件相互隔離。當(dāng)開(kāi)關(guān)被打開(kāi)以連接兩個(gè)量子比特時(shí)，它們就可以相互作用并進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，切換開(kāi)關(guān)可以連接任一量子比特和讀出諧振器，以檢索結(jié)果。

量子計(jì)算機(jī)電路中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是，量子比特難以進(jìn)行計(jì)算并清楚地顯示計(jì)算結(jié)果。

這張照片顯示的是器件的中央工作區(qū)。在下部，三個(gè)大矩形（淺藍(lán)色）分別代表左右兩個(gè)量子比特或量子位，以及中間的諧振器。在放大的上部剖面圖中，微波通過(guò)天線（底部深藍(lán)色大矩形）時(shí)，會(huì)在 SQUID 環(huán)形（中間較小的白色正方形，邊長(zhǎng)約 20 微米）中產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)激活了撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。微波的頻率和幅度決定了開(kāi)關(guān)的位置以及量子比特和諧振器之間的連接強(qiáng)度。資料來(lái)源：R. Simmonds / NIST

提高性能和保真度

本文作者之一、NIST 物理學(xué)家雷-西蒙茲（Ray Simmonds）說(shuō)："我們的目標(biāo)是讓量子比特保持愉悅，這樣它們就能心無(wú)旁騖地進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還能在我們想要的時(shí)候讀出它們。這種設(shè)備架構(gòu)有助于保護(hù)量子比特，并有望提高我們進(jìn)行高保真測(cè)量的能力，而高保真測(cè)量是用量子比特構(gòu)建量子信息處理器所必需的。"

該團(tuán)隊(duì)還包括來(lái)自馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校、科羅拉多大學(xué)博爾德分校和雷神 BBN 技術(shù)公司的科學(xué)家，他們?cè)谧罱l(fā)表于《自然-物理》雜志的一篇論文中介紹了自己的研究成果。

量子計(jì)算： 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

量子計(jì)算機(jī)目前仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，它將利用量子力學(xué)的奇異特性來(lái)完成即使是最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也難以完成的工作，例如通過(guò)對(duì)化學(xué)相互作用進(jìn)行復(fù)雜的模擬來(lái)幫助開(kāi)發(fā)新藥物。

然而，量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員仍然面臨許多問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是，量子電路會(huì)受到外部甚至內(nèi)部噪聲的影響，這些噪聲來(lái)自于制造計(jì)算機(jī)的材料缺陷。這種噪聲本質(zhì)上是一種隨機(jī)行為，會(huì)在量子比特計(jì)算中產(chǎn)生誤差。

量子計(jì)算中的噪聲問(wèn)題

當(dāng)今的量子比特本身就存在噪聲，但這并不是唯一的問(wèn)題。許多量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)都采用所謂的靜態(tài)架構(gòu)，即處理器中的每個(gè)量子比特都與相鄰的量子比特及其讀出諧振器物理連接。將量子比特連接在一起并與其讀出器相連的人造線路會(huì)使它們受到更多噪聲的影響。

這種靜態(tài)架構(gòu)還有另一個(gè)缺點(diǎn)： 它們不容易重新編程。靜態(tài)架構(gòu)的量子比特可以完成一些相關(guān)的工作，但要讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行更廣泛的任務(wù)，就需要更換不同的處理器設(shè)計(jì)，采用不同的量子比特組織或布局。(想象一下，每當(dāng)需要使用不同的軟件時(shí)，就需要更換筆記本電腦中的芯片，再考慮到芯片需要保持在絕對(duì)零度以上一丁點(diǎn)，你就會(huì)明白為什么這會(huì)帶來(lái)不便）。

可編程撥動(dòng)開(kāi)關(guān)解決方案

該團(tuán)隊(duì)的可編程撥動(dòng)開(kāi)關(guān)避免了上述兩個(gè)問(wèn)題。首先，它可以防止電路噪聲通過(guò)讀出諧振器悄悄進(jìn)入系統(tǒng)，并防止量子比特在本應(yīng)安靜的時(shí)候相互對(duì)話，這減少了量子計(jì)算機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵噪聲源。

其次，元件之間開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉是由一列從遠(yuǎn)處發(fā)送的微波脈沖控制的，而不是通過(guò)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的物理連接。集成更多這種撥動(dòng)開(kāi)關(guān)可以成為更容易編程的量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。微波脈沖還可以設(shè)定邏輯運(yùn)算的順序和序列，這意味著使用該團(tuán)隊(duì)的許多撥動(dòng)開(kāi)關(guān)構(gòu)建的芯片可以被指示執(zhí)行任意數(shù)量的任務(wù)。

"這使得芯片可以編程，"西蒙茲說(shuō)。"芯片上沒(méi)有完全固定的架構(gòu)，而是可以通過(guò)軟件進(jìn)行更改。"

其他優(yōu)勢(shì)和未來(lái)發(fā)展方向

最后一個(gè)好處是，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)還可以同時(shí)開(kāi)啟對(duì)兩個(gè)量子比特的測(cè)量。這種要求兩個(gè)量子比特作為一對(duì)顯示自己的能力，對(duì)于追蹤量子計(jì)算錯(cuò)誤非常重要。

這次演示中的量子比特以及撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和讀出電路都是由超導(dǎo)元件制成的，這些元件導(dǎo)電時(shí)沒(méi)有電阻，而且必須在非常低的溫度下工作。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)本身是由超導(dǎo)量子干涉裝置（或稱"SQUID"）制成的，它對(duì)穿過(guò)其回路的磁場(chǎng)非常敏感。在需要時(shí)，通過(guò)附近的天線環(huán)路驅(qū)動(dòng)微波電流可以誘導(dǎo)量子比特與讀出諧振器之間的相互作用。

目前，該研究小組只使用了兩個(gè)量子比特和一個(gè)讀出諧振器，但西蒙茲說(shuō)，他們正在準(zhǔn)備一個(gè)包含三個(gè)量子比特和一個(gè)讀出諧振器的設(shè)計(jì)，并計(jì)劃增加更多的量子比特和諧振器。進(jìn)一步的研究可以深入了解如何將許多這樣的設(shè)備串聯(lián)在一起，從而有可能提供一種方法來(lái)構(gòu)建具有足夠量子比特的強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)，以解決目前還無(wú)法解決的各種問(wèn)題。

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