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重新构想量子芯片

某大学的研究人员实现了一种新的超导量子处理器设计，旨在为量子革命所需的大规模、耐用设备提供一种潜在的架构。

与传统将信息处理量子比特布置在二维网格上的典型量子芯片设计不同，该团队设计了一种模块化量子处理器，其核心是一个可重构路由器作为中央枢纽。这使得任意两个量子比特都能连接并形成纠缠，而在旧系统中，量子比特只能与物理上最近的邻居“对话”。

“量子计算机未必会在内存大小或中央处理器尺寸等方面与经典计算机竞争，”某大学的安德鲁·克莱兰教授说。“相反，它们利用了一种根本不同的扩展方式：将经典计算机的计算能力翻倍，需要两倍大的中央处理器或两倍的时钟速度。而使量子计算机的能力翻倍，只需要增加一个量子比特。”

受经典计算机启发的设计

该设计从经典计算机中汲取灵感，将量子比特集群围绕在一个中央路由器周围，类似于个人电脑通过中央网络集线器相互通信。量子“开关”可以在几纳秒内连接或断开任何量子比特，从而实现高保真度的量子门操作和量子纠缠的生成，这是量子计算和通信的基本资源。

“原则上，通过路由器连接的量子比特数量没有限制，”该大学博士生、论文第一作者吴寻涛（音译）说。“只要能在一定的物理尺寸内容纳，你可以连接更多的量子比特以获得更强的处理能力。”

这项发表在《物理评论X》上的新论文描述了这种连接超导量子比特的新方法。研究人员的新型量子芯片具有灵活性、可扩展性，并且像手机和笔记本电脑中的芯片一样模块化。

“想象一下，一台经典计算机有一块主板，集成了中央处理器、图形处理器、内存等多种不同组件，”吴寻涛说。“我们的部分目标就是将这个概念转移到量子领域。”

规模与噪声

量子计算机是高度先进但精密的设备，有潜力改变电信、医疗保健、清洁能源和密码学等领域。在量子计算机能够充分发挥潜力应对这些全球性问题之前，必须满足两个条件。

首先，它们必须扩展到足够大的规模并具备灵活的操作性。
“这种扩展可以为经典计算机根本无法指望解决的计算问题提供解决方案，例如分解大数从而破解加密代码，”克莱兰说。

其次，它们必须是容错的，能够以极少的错误执行大规模计算，理想情况下超越当前最先进的经典计算机的处理能力。这里正在开发的超导量子比特平台是构建量子计算机的一种有前途的方法。

“典型的超导处理器芯片是方形的，所有量子比特都制作在上面。它是一个平面结构上的固态系统，”合著者严浩雄（音译）说，他于今年春季从该大学毕业，现在某机构担任量子工程师。“你可以想象一个二维阵列，就像一个方形晶格，这就是典型超导量子处理器的拓扑结构。”

典型设计的局限性

这种典型设计带来了若干限制。

首先，将量子比特放在网格上意味着每个量子比特最多只能与四个其他量子比特（即其北、南、东、西方向的直接邻居）相互作用。更强的量子比特连通性通常意味着处理器在灵活性和组件开销方面更强大，但四邻居限制通常被认为是平面设计固有的。这意味着对于实际的量子计算应用，使用蛮力扩展设备很可能导致不切实际的资源需求。

其次，最近邻连接反过来会限制可实现的量子动力学类别以及处理器能够执行的并行程度。

最后，如果所有量子比特都制作在同一平面基板上，那么这将给制造良率带来重大挑战，因为即使少数器件失效也意味着处理器无法工作。
“要进行实际的量子计算，我们需要数百万甚至数十亿个量子比特，而且我们需要把一切都做得完美，”严浩雄说。

重新设计芯片

为了解决这些问题，团队重新设计了量子处理器。处理器被设计为模块化的，使得不同组件可以在安装到处理器主板之前进行预选。

团队的下一步工作是研究将量子处理器扩展到更多量子比特的方法，寻找扩展处理器能力的新协议，并可能寻找连接路由器连接的量子比特集群的方法，就像超级计算机连接其组成处理器一样。

他们还在寻求扩展能够形成纠缠的量子比特之间的距离。
“目前，耦合范围是中程的，大约在毫米量级，”吴寻涛说。“因此，如果我们试图寻找连接远程量子比特的方法，那么我们必须探索将其他类型的技术与当前设置相结合的新途径。”

资金支持：设备和实验得到了陆军研究办公室和物理科学实验室（ARO资助号 W911NF2310077）以及空军科学研究办公室（AFOSR资助号 FA9550-20-1-0270）的支持。
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