MIT全新量子比特架构，运算更快更稳

麻省理工学院（MIT）的研究人员设计出一款新型量子比特架构，能够让量子比特之间实现更快的相互作用，同时保持极高稳定性。这项技术未来有望助力科研人员打造实用化量子计算机，高精度运行长周期、复杂的算法。

量子比特是量子计算机的基础单元。通常量子比特仅负责存储数据，需要依靠其他电子器件完成运算与通信。但量子比特十分脆弱，极易产生错误；科研人员很难把大量量子比特互连，往往量子比特还没完成工作就丢失信息，需要执行复位。

MIT团队设计了一款双功能量子比特，包含两个独立单元：一个单元负责存储数据，另一个单元用于和其他量子比特、电子器件交互。该设计提升量子比特可靠性，降低错误率，让它可以在相同时间内完成更多运算。

仿真结果表明，这款全新量子比特架构，相比现有方案，运算速度显著提升，保真度也更高。目前该研究尚处于早期阶段，但它具备巨大潜力，有望帮助科研人员搭建大规模实用量子计算机，解决传统超级计算机难以处理的现实难题。

“这项研究是一大进步。这套全新架构向我们展示了量子系统巨大的工程设计空间。我们融合两种设计思路，实现了所追求的量子比特协同设计，得到一套非常难得的组合，能够满足量子纠错的各项需求。” 本文共同作者Alec Yen表示。

论文第一作者是EECS专业研究生Jeremy Kline；其他作者还有MIT本科生Stanley Chen；通讯作者为EECS副教授、电子学研究实验室（RLE）首席研究员Kevin O’Brien。相关成果已发表于APS Physical Review Applied期刊。

双功能量子比特

和经典计算机的比特一样，量子比特用于存储信息。但不同于经典比特，量子比特存续时间很短；在互连搭建量子计算机的过程中，很容易发生失效。这种失效现象叫做退相干，会在计算中引入错误，错误会快速累积，导致长运算还没结束就被迫中断。

“我们做这一切的目标，就是实现容错量子计算机，能够在错误发生时实时纠错，从而开展长时间运算，让量子计算机真正完成有实际价值的任务。”O’Brien解释道。

为提升量子比特可靠性，MIT研究人员提出全新设计：包含两套相互连接的独立单元，一套存储数据，另一套与量子电路其余所有单元交互。

这个交互单元就像向外伸展的机械臂，与系统其他部分建立联系，因此研究人员将该器件命名为臂式量子比特（arm qubit）。

Yen介绍：“它实现双重用途：由数据模式与臂模式共同完成两项核心目标，这两项能力对于实现量子纠错至关重要。”简单来说，该架构融合两种不同类型的量子比特。数据模式选用一种成熟量子比特设计，拥有很长的相干时间（寿命）。

臂模式采用另一种设计，可以和谐振器等其他器件产生强相互作用；谐振器是用于读取量子计算结果的电子元件。读取，即测量量子系统状态，并转换为经典数值的过程。

这套新架构的核心，是研究人员此前开发的一款特殊耦合单元，用它把数据模式和臂模式连接在一起。

更强的耦合效果

一般情况下，将两种模式耦合在一起，会产生不希望出现的串扰；接入更多量子比特后，这类不良相互作用还会持续累积。

规避该串扰的一种手段是采用非线性耦合：两个器件互连，一方状态发生改变，另一方随之响应。非线性耦合是绝大多数量子算法运行的基础。

研究人员所使用的特殊器件，即四元耦合器（quarton coupler），能够在数据模式与臂模式之间实现极强的非线性耦合，大幅抑制不良串扰。该耦合器可以让量子比特在发生退相干之前完成更多运算。

Kline表示：“我们把‘臂’单元专门用来实现耦合，这套方案具备可扩展性，对制造工艺误差有容错能力，同时依靠四元耦合器实现强非线性耦合。”

仿真测试显示，臂式量子比特相比其他超导量子比特架构，同时实现了顶尖水平的相干时间、更快的运算与读取速度。该架构在速度、可靠性方面的提升，能够加快量子纠错进程，而量子纠错是量子计算机走向实用化的关键一步。

下一步，研究团队计划制备臂式量子比特实物，进一步研究它的各项特性与能力，将其集成到真实量子系统中。O’Brien说：“仿真结果十分亮眼，让我充满期待。接下来要看我们能不能把它实际制备出来，确认建模和设计有没有遗漏问题。如果可以成功制备，臂式量子比特就会成为未来纠错型量子计算机的基础单元。”