在量子计算系统中产生用于通信的光子

麻省理工学院的研究人员利用与微波传输线相连的超导量子比特展示了量子比特如何按需产生量子处理器之间通信所需的光子或光粒子。

这一进展是朝着实现互连迈出的重要一步，这将使模块化量子计算系统能够以比经典计算机所能达到的速度指数级的速度执行操作。

“模块化量子计算是一种通过在多个处理节点上分担工作量来实现大规模量子计算的技术，”麻省理工学院研究生研究员、今天发表在《科学进展》上的论文的第一作者Bharath Kannan说然而，这些节点通常不在同一位置，因此我们需要能够在遥远的地点之间传输量子信息。”

在传统计算机中，在计算过程中，导线被用来在处理器中来回传送信息。在量子计算机中，信息本身是量子力学和脆弱的，需要新的策略来同时处理和传递信息。

超导量子位是当今领先的技术，但它们通常只支持局部相互作用（最近的邻居或非常近的量子位）。“问题是如何连接到遥远位置的量子位，”威廉·奥利弗说，他是电子工程和计算机科学副教授，麻省理工学院林肯实验室研究员，量子工程中心主任，电子研究实验室副主任我们需要量子互连，理想情况下是基于微波波导，可以将量子信息从一个位置引导到另一个位置。”

这种通讯可以通过微波传输线或波导管进行，因为储存在量子位中的激发产生光子对，光子对发射到波导管中，然后传输到两个遥远的处理节点。相同的光子被称为“纠缠”，充当一个系统。它们可以将量子纠缠分布到整个网络中，因为它们可以传播到整个量子网络中。

奥利弗说：“我们根据需要使用量子位产生纠缠光子，然后以非常高的效率将纠缠态释放到波导管中，基本上是统一的。”

Kannan说，《科学进步》论文中报道的研究使用了一种相对简单的技术。

“我们的工作提出了一种新的结构来产生光子，这种光子在空间上以一种非常简单的方式纠缠在一起，只使用一个波导管和几个量子比特，它们充当光子发射器，”坎南说光子之间的纠缠可以被传输到处理器中，用于量子通信或互连协议。”

虽然研究人员说他们还没有实现这些通信协议，但他们正在进行的研究正朝着这个方向发展。

坎南说：“在这项工作中，我们还没有完成处理器之间的通信，而是展示了我们如何能够产生对量子通信和互连有用的光子。”

坎南、奥利弗和同事们之前的工作介绍了一种波导量子电动力学结构，它使用超导量子比特，而超导量子比特本质上是一种人工巨原子。这项研究展示了这种体系结构如何执行低误差量子计算并在处理器之间共享量子信息。这是通过调节量子比特的频率来调节量子比特与波导的相互作用强度来实现的，这样就可以保护脆弱的量子比特免受波导诱导的退相干，从而实现高保真的量子比特操作，然后重新调整量子比特的频率，使量子比特能够以光子的形式将量子信息释放到波导中。

本文介绍了波导量子电动力学结构的光子产生能力，说明量子比特可以作为波导的量子发射源。研究人员证明，发射到波导管中的光子之间的量子干涉会产生纠缠的、游走的光子，这些光子在相反的方向传播，可以用于量子处理器之间的远距离通信。

在光学系统中产生空间纠缠光子通常是通过自发的参量下转换和光电探测器来实现的，但是通过这种方式产生的纠缠通常是随机的，因此在分布式系统中实现量子信息的按需通信时用处不大。

“模块化是任何可扩展系统的关键概念，”奥利弗说我们在这里的目标是展示量子互连的元素，这些元素在未来的量子处理器中应该是有用的。”