一直以來，量子計算機都是一個神秘且「高大上」的存在。中國科學院院士潘建偉曾這樣打比方說：如果傳統(tǒng)計算機的速度是「自行車」，那么量子計算機的速度就是「飛機」。量子計算機的極高運算速度源于奇妙的量子特性。傳統(tǒng)計算機的基礎是比特：一切都是「0」或「1」。量子計算機使用量子比特，它既可以是「0」，也可以是「1」。

就憑這點，量子計算機完勝傳統(tǒng)計算機。

但是，急性子的量子計算機卻有一個致命弱點———量子比特十分脆弱，一不留神，就會失去其特殊的量子特性。所以，就會經常出錯，還可能在傳輸信息時迅速衰減。

「量子計算機的主要挑戰(zhàn)之一，是使量子比特不在同一位置時能交互。」麻省理工學院電子研究實驗室主任、電子工程與計算機科學教授William Olive表示，「例如，最近的量子比特可以很容易地交互，但是，該如何遠處連接的量子比特在遠處交互呢？」

答案在于反常的光-物質相互作用。

光子-原子量子結構

光與其他物質之間的相互作用引起了各種各樣的物理反應，一直都被廣泛研究。

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哈佛物理學教授埃文斯曾說：「設計一個相互作用非常強的系統(tǒng)并不難，但是其中隨之產生的、與環(huán)境強烈的相互作用也會導致噪音和干擾。因此，你必須讓系統(tǒng)環(huán)境極其純凈，但這是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為我們選擇在一個完全不同的運作機制下進行實驗。我們選用光子的原因，是因為它與一切物質的相互作用都很微弱?！?/p>

與光的波長相比，天然原子小，且呈點狀。但超導的「人造原子」不會這樣。

用可見光和微波來驅使它們發(fā)出攜帶量子信息的光子，可以保護量子比特中的信息。

此外，即使沒有光子從巨大的原子中釋放出來，沿著波導的多個量子比特仍然能夠相互作用來執(zhí)行操作。

巨型人造原子？它是可調節(jié)的

簡單來說，人造原子實際上是一個超導電路，只是它們的表現得像一個原子。與天然原子一樣，它們也能得到電子，被激發(fā)，而后也能通過發(fā)光的方式將能量釋放出去。

據此，研究人員構造了「巨型原子」。

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兩個超導量子比特充當巨大的人造原子。這些 「原子」受到保護，不會被退相干，但仍然通過波導相互作用

這種「巨型原子」的特殊性在于，它是可調節(jié)的。研究人員可以調整量子比特-波導（即電磁波導）相互作用的強度。這樣一來，利用波導加速，脆弱的量子比特就可以在執(zhí)行高保真操作時免受退相干或自然衰減的影響。

為什么要這么做呢？

一旦計算完成，量子比特與波導耦合（相互作用、相互影響）的強度就會重新調整，量子比特就能夠以光子的形式將量子數據釋放到波導中。

「將量子比特耦合到波導通常對量子比特操作非常不利，因為這樣做會大大縮短量子比特的壽命?！?麻省理工學院研究生、該論文第一作者Bharath Kannan表示， 「但是，為了在整個處理器中釋放和傳輸量子信息，波導又是必不可少的。在這里，我們證明了即使量子比特與波導強耦合，也有可能保持它的相干性。然后我們就有能力決定什么時候釋放存儲在量子比特中的信息。我們已經展示了如何使用巨型原子來開啟和關閉與波導的相互作用?！?/p>

量子處理與量子通訊融為一體，2量子比特糾纏的保真度為94%

研究人員說，這代表了一種新的光-物質相互作用機制。由于「巨型原子」本質上是電路，當與波導耦合時，與之相互作用的微波波長一樣大的結構。

通過「巨型原子」可以執(zhí)行低誤差量子計算，同時還可以在處理器之間快速共享量子通訊信息。這項工作使量子信息處理和量子通訊成為一體，是向完整的量子平臺邁出的關鍵一步。

據研究人員觀察，并入巨型原子的量子比特的相干時間大約為30微秒，這意味著量子比特保持在量子狀態(tài)的時間，與未耦合到波導的量子比特的相干時間幾乎相同，而波導的耦合時間范圍在10到100微秒之間。

此外，該研究還演示了2量子比特糾纏的保真度為94%。這是研究人員首次為強耦合波導的量子比特引用雙量子比特保真度。因為在這種結構中，使用傳統(tǒng)小原子進行此類操作的保真度通常很低。

實驗裝置

Kannan還表示，通過更多的校準、操作調整程序和優(yōu)化的硬件設計，保真度可以進一步提高。