科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)了一款支持“全對(duì)全”通信的新型互連設(shè)備，可使網(wǎng)絡(luò)中的所有超導(dǎo)量子處理器都能直接相互通信。他們利用這一設(shè)備展示了遠(yuǎn)程糾纏，為構(gòu)建大規(guī)模、分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，也為未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。這項(xiàng)研究3月21日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

當(dāng)前用于連接超導(dǎo)量子處理器的架構(gòu)采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”連接方式，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間多次傳輸易導(dǎo)致錯(cuò)誤率累積。

研究人員此前曾開(kāi)發(fā)了一種量子計(jì)算模塊，能夠雙向發(fā)送信息光子。此次研究中，他們進(jìn)一步將兩個(gè)這樣的模塊連接到波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)了光子的定向發(fā)射與高效吸收。

每個(gè)模塊由4個(gè)量子比特組成，這些量子比特負(fù)責(zé)與傳輸光子的波導(dǎo)進(jìn)行交互，并將信息傳遞給更大的量子處理器。研究人員通過(guò)一系列微波脈沖，向量子比特注入能量，使其發(fā)射攜帶量子信息的光子。精確控制這些脈沖的相位，能夠產(chǎn)生量子干涉效應(yīng)，使光子按照指定方向傳播。此外，通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)間反演，研究人員可確保遠(yuǎn)端模塊中的量子比特吸收光子。

像這樣“投擲”和“接收”光子，研究人員能在非本地量子處理器之間創(chuàng)建“量子互連”，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程糾纏。即使光子本身已經(jīng)消失，兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的量子比特仍然存在量子關(guān)聯(lián)，使人們能進(jìn)行并行量子計(jì)算操作。

遠(yuǎn)程糾纏是開(kāi)發(fā)強(qiáng)大、分布式量子處理器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步。為提高遠(yuǎn)程糾纏的成功率，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新。他們開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)光子進(jìn)行“預(yù)失真”處理，盡可能減少其在傳輸過(guò)程中的損耗，從而提高吸收效率。最終，他們將光子吸收效率提升60%以上，足以保證最終狀態(tài)是高保真度的糾纏態(tài)。

該成果不僅適用于超導(dǎo)量子系統(tǒng)，其遠(yuǎn)程糾纏協(xié)議原則上可擴(kuò)展至其他量子計(jì)算平臺(tái)，為量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了重要硬件支撐。