一款支持“全對全”通信的新型互連設備,使網絡中的所有超導量子處理器都能直接相互通信。圖片來源:美國麻省理工學院

美國麻省理工學院研究人員開發(fā)了一款支持“全對全”通信的新型互連設備,可使網絡中的所有超導量子處理器都能直接相互通信。他們利用這一設備展示了遠程糾纏,為構建大規(guī)模、分布式量子計算網絡奠定了基礎,也為未來的量子互聯網提供了關鍵技術支持。這項研究3月21日發(fā)表在《自然-物理學》雜志上。

當前用于連接超導量子處理器的架構采用“點對點”連接方式,其網絡節(jié)點之間多次傳輸易導致錯誤率累積。

研究人員此前曾開發(fā)了一種量子計算模塊,能夠雙向發(fā)送信息光子。此次研究中,他們進一步將兩個這樣的模塊連接到波導上,實現了光子的定向發(fā)射與高效吸收。

每個模塊由4個量子比特組成,這些量子比特負責與傳輸光子的波導進行交互,并將信息傳遞給更大的量子處理器。研究人員通過一系列微波脈沖,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,能夠產生量子干涉效應,使光子按照指定方向傳播。此外,通過對脈沖進行時間反演,研究人員可確保遠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”,從而實現遠程糾纏。即使光子本身已經消失,兩個相距甚遠的量子比特仍然存在量子關聯,使人們能進行并行量子計算操作。

遠程糾纏是開發(fā)強大、分布式量子處理器網絡的關鍵一步。為提高遠程糾纏的成功率,研究人員進行了一項關鍵創(chuàng)新。他們開發(fā)了一種強化學習算法,對光子進行“預失真”處理,盡可能減少其在傳輸過程中的損耗,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量子系統(tǒng),其遠程糾纏協議原則上可擴展至其他量子計算平臺,為量子互聯網發(fā)展提供了重要硬件支撐。