美国麻省理工学院的研究人员提出一种新型量子比特架构，可使量子比特之间实现更快速的相互作用，同时保持极高的稳定性。

该进展有望为构建能够高精度运行长时间、复杂算法的实用量子计算机奠定基础。

量子比特是量子计算的基本单元，传统设计通常仅负责存储数据，而与其他量子比特及电子器件的交互则依赖外部设备。

然而，量子比特极其脆弱、易出错，科学家难以在信息丢失前连接足够多的量子比特以完成有效计算。

麻省理工学院团队提出的“双用途量子比特”包含两个独立但相连的部分：一部分用于信息存储，另一部分专门负责与其他量子比特和电子设备交互。

这种设计显著提升了量子比特的可靠性，降低了错误率，使其在相同时间内可执行更多计算任务。

模拟结果表明，与现有架构相比，该新型量子比特能够支持更快、保真度更高的量子操作。

尽管研究尚处早期阶段，但该架构有望助力构建大规模、实用的量子计算机，解决传统超级计算机难以处理的现实难题。

研究团队成员、今年春季获得电气工程与计算机科学博士学位的Alec Yen表示：“这项工作感觉迈出了一大步。

这是一种新架构，展示了此类系统可被工程化的程度。

我们将两个思路融合在一起，以实现我们所需的量子比特协同设计，创造出了进行量子纠错所需的一种非常罕见的组合。

”该论文共同作者还包括主要作者、电气工程与计算机科学研究生Jeremy Kline，麻省理工学院本科生Stanley Chen，以及资深作者、电气工程与计算机科学副教授兼电子研究实验室首席研究员Kevin O’Brien。

双用途设计原理

与经典比特类似，量子比特用于存储信息，但不同之处在于其寿命极短。

当科学家尝试将它们互联以构建量子计算机时，量子比特极易发生退相干，导致错误迅速积累，使长时间计算在完成前即脱轨。

O’Brien教授解释：“我们的目标是构建容错量子计算机，能够实时纠正错误，从而进行长时计算并真正发挥量子计算机的实用价值。

”

为提高量子比特的可靠性，团队设计了“双臂量子比特”（arm qubit），其包含两个独立但耦合的组件：一个负责数据存储（数据模式），另一个负责与电路其他部分交互（臂模式）。

这种设计借鉴了两种不同量子比特的优势——数据模式采用寿命长、相干性好的常用设计，臂模式则采用与谐振器等读出组件强相互作用的设计，后者负责将量子态转换为经典值用于测量。

核心创新：强非线性耦合

新架构的关键在于团队此前开发的一种特殊耦合器件，用于连接数据模式和臂模式。

通常，将模式耦合易导致不必要的相互作用，并随量子比特数增加而加剧。

为避免这种串扰，团队采用非线性耦合技术，使一个组件状态变化会引发另一个组件相应变化，这是运行多数量子算法所必需的。

他们使用的量子耦合器能够在数据与臂模式间实现非常强的非线性耦合，大幅抑制有害混合，使量子比特在退相干之前能更快完成操作。

Kline指出：“通过将‘臂’组件专用于耦合，我们设计出了可扩展且对制造误差具有鲁棒性的方案，同时利用量子耦合器实现了强非线性耦合。

”

模拟测试中，双臂量子比特在保持最先进的相干时间的同时，操作速度和读出速度均优于其他超导量子比特架构。

这种兼具速度与可靠性的新架构有望加速量子纠错进程，是迈向实用量子计算机的关键一步。

接下来，研究团队计划实际制造双臂量子比特，以进一步探索其性能，并将其集成到真实量子系统中。

将臂量子比特平铺成二维晶格的示意图。

绿色矩形代表臂量子比特，圆角蓝色矩形表示执行双量子比特门的辅助跨蒙模式，截角的橙色矩形代表读出谐振腔

原文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/3l3b-7jsm

信息来源：MIT、Physical Review Applied

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