正如經(jīng)典計算機和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，如果量子計算機不能互連，無法發(fā)揮其全部能力。近日，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一個量子計算架構(gòu)，將實現(xiàn)超導(dǎo)量子處理器之間可擴展的、高保真的通信。

保真度高達96%，實現(xiàn)量子處理器的模塊化
量子計算機有希望完成某些即使在世界最強大的超級計算機上也難以完成的任務(wù)。在未來，科學(xué)家們預(yù)計將使用量子計算來模擬材料系統(tǒng)、模擬量子化學(xué)，并優(yōu)化硬任務(wù)，其影響可能跨越金融和制藥。
然而，實現(xiàn)這一承諾需要有彈性和可擴展的硬件。構(gòu)建大規(guī)模量子計算機的一個挑戰(zhàn)是，研究人員必須找到一種有效的方法來互連量子信息節(jié)點——分離在計算機芯片上的較小規(guī)模的處理節(jié)點。由于量子計算機與經(jīng)典計算機有根本的不同，用于通信電子信息的傳統(tǒng)技術(shù)并不能直接轉(zhuǎn)化為量子設(shè)備。然而，有一個要求是肯定的：無論是通過經(jīng)典還是量子互連，攜帶的信息必須被傳輸和接收。
為此，麻省理工學(xué)院團隊展示了第一步，即在用戶指定的方向上確定性地發(fā)射單光子——信息載體，他們的方法能夠確保量子信息在96%以上的時間里流向正確的方向。將這些模塊中的幾個連接起來，就能形成一個更大的量子處理器網(wǎng)絡(luò)，無論它們在計算機芯片上的物理間隔如何，都能實現(xiàn)相互連接。
“量子互連是實現(xiàn)由較小的單獨組件構(gòu)建的更大規(guī)模機器的模塊化的關(guān)鍵一步。“這項研究論文的共同主要作者Bharath Kannan博士說：“在較小的子系統(tǒng)之間進行通信的能力將使量子處理器的模塊化架構(gòu)成為可能，與使用單一大型復(fù)雜芯片的粗暴方式相比，這可能是擴展到更大系統(tǒng)規(guī)模的一種更簡單的方式。“
使用雙向波導(dǎo)，移動量子信息
在傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機中，各種組件執(zhí)行不同的功能，如內(nèi)存、計算等。電子信息以比特（取值為1或0）的形式進行編碼和存儲，通過互連線在這些部件之間穿梭；互連線是在計算機處理器上移動電子的導(dǎo)線。
但是量子信息更加復(fù)雜。量子信息不是只有0或1的值，而是根據(jù)疊加現(xiàn)象，可以同時為0和1。而且，量子信息可以由光的粒子（光子）攜帶。這些額外的復(fù)雜性使量子信息變得脆弱、不能簡單地使用傳統(tǒng)協(xié)議來傳輸。
一個量子網(wǎng)絡(luò)使用光子連接處理節(jié)點，這些光子通過波導(dǎo)進行傳輸。波導(dǎo)可以是單向的、只向左或向右移動一個光子，也可以是雙向的。
大多數(shù)現(xiàn)有的架構(gòu)使用單向波導(dǎo)，這更容易實現(xiàn)，因為光子移動的方向很容易確定。但是，由于每個波導(dǎo)只能在一個方向上移動光子，隨著量子網(wǎng)絡(luò)的擴大，需要更多的波導(dǎo)，這使得這種方法難以擴展。此外，單向波導(dǎo)通常包含額外的組件來執(zhí)行方向性，這就引入了通信錯誤。
“如果我們有一個可以支持在左右兩個方向傳播的波導(dǎo)，并且有一種可以隨意選擇方向的手段，我們就可以擺脫這些有損耗的部件。這種‘定向傳輸’就是我們所展示的，它是朝著具有更高保真度的雙向通信邁出的第一步。“Kannan說，利用他們的架構(gòu)，多個處理模塊可以沿著一條波導(dǎo)串起來。同時，該架構(gòu)設(shè)計的一個顯著特點是，同一個模塊可以同時作為發(fā)射器和接收器使用；而且光子可以由任何兩個模塊沿著共同的波導(dǎo)發(fā)送和捕獲。
實驗設(shè)置
Almanakly補充說：“我們只有一個物理連接，沿途可以有任何數(shù)量的模塊。這就是它的可擴展性。在展示了一個模塊的定向光子發(fā)射后，我們現(xiàn)在正致力于在第二個模塊的下游捕獲該光子。“
利用量子特性，向模塊化架構(gòu)更進一步
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員建立了一個由四個量子比特組成的模塊。
量子比特是量子計算機的構(gòu)建模塊，用于存儲和處理量子信息。但是量子比特也可以作為光子發(fā)射器使用；向量子比特添加能量會導(dǎo)致量子比特被激發(fā)，然后當(dāng)它去激發(fā)時，量子比特將以光子的形式發(fā)射能量。

波導(dǎo)式QED架構(gòu)中的定向光子發(fā)射。
然而，簡單地將一個量子比特連接到波導(dǎo)上并不能確保方向性。單個量子比特發(fā)射出一個光子，但它是向左還是向右移動是完全隨機的。為了規(guī)避這個問題，研究人員利用兩個量子比特和量子干涉的特性來確保發(fā)射的光子以正確的方向傳播。
該技術(shù)涉及將兩個量子比特準(zhǔn)備在貝爾態(tài)的單一激發(fā)的糾纏狀態(tài)。這種量子力學(xué)狀態(tài)包括兩個方面：左邊的量子比特被激發(fā)、右邊的量子比特被激發(fā)。這兩個方面同時存在，但哪個量子比特在某個特定時間被激發(fā)是未知的。
當(dāng)量子比特處于這種糾纏的貝爾態(tài)時，光子實際上是在兩個量子比特的位置同時發(fā)射到波導(dǎo)上的，而這兩條“發(fā)射路徑”是相互干擾的。根據(jù)貝爾態(tài)內(nèi)的相對相位，產(chǎn)生的光子發(fā)射必須向左或向右移動。通過準(zhǔn)備具有正確相位的貝爾態(tài)，研究人員選擇了光子穿越波導(dǎo)的方向。
他們可以使用這種相同的技術(shù)，但以相反的方式，在另一個模塊接收光子。
“光子有一定的頻率，一定的能量，你可以準(zhǔn)備一個模塊來接收它，把它調(diào)到相同的頻率。如果它們不在同一頻率上，那么光子將只是通過。這就好比把收音機調(diào)到一個特定的電臺。如果我們選擇了正確的無線電頻率，我們就會接收到以該頻率傳輸?shù)囊魳贰?rdquo;Almanakly說。
他們的技術(shù)達到了96%以上的保真度：這意味著如果他們打算向右邊發(fā)射一個光子，96%的時間它都會向右邊發(fā)射。
現(xiàn)在，他們已經(jīng)用這種技術(shù)有效地在一個特定的方向上發(fā)射光子，研究人員希望將多個模塊連接起來，用這個過程來發(fā)射和吸收光子。這將是朝著開發(fā)模塊化架構(gòu)邁出的重要一步，該架構(gòu)將許多較小規(guī)模的處理器組合成一個規(guī)模更大、功能更強的量子處理器。