摘要：一个物理学家团队设想了一个模块化系统，该系统可以通过长距离链接量子的灵活方式来缩放量子处理器，以使他们能够协同工作以执行量子操作。与当前计算机相比，链接量子位之间进行此类相关或“纠缠”操作的能力是增强功率量子计算的基础。...
量子计算机的操作依赖于以量子位的形式编码和处理信息，该信息由两个量子系统（例如电子和光子）的状态定义。与古典计算机中使用的二进制位不同，量子位可以同时存在于零和一个组合中 - 原则上，它们可以比当今最大的超级计算机更快地执行某些计算速度。
为了发挥其全部潜力，量子计算机需要数百万个量子位或Qubits。但是，由于量子信息处理系统被缩放到许多量子位，因此出现了一个挑战。需要高度复杂的电子设备来控制一些量子，并缩放复杂的电路代表一个主要障碍。
在最近的理论研究中，由罗德岛大学教授Vanita Srinivasa领导的物理学家团队设想了一个模块化系统，该模块化系统以较长的距离将量子链接起来的灵活方式来扩展量子处理器，以使他们能够协同工作以执行量子操作。与当前计算机相比，链接量子位之间进行此类相关或“纠缠”操作的能力是增强功率量子计算的基础。由斯里尼瓦萨（Srinivasa），马里兰大学的雅各布·M·泰勒（Jacob M.PRX量子。
URI量子信息科学计划和物理学助理教授Srinivasa说：“量子计算机中的每个量子都以特定的频率运行。实现量子计算机所特有的功能依赖于能够通过不同的频率单独控制每个量子，并通过匹配其频率来链接量子对。” "As a quantum processor is scaled to larger numbers of qubits, being able to simultaneously achieve both of these operations for every qubit becomes very challenging. In our work, we describe how applying oscillating voltages effectively generates extra frequencies for each qubit in order to link multiple qubits without having to match all of their original frequencies. This allows qubits to be linked while simultaneously allowing each qubit to retain a distinct frequency for individual control."
使用半导体来构建量子处理器，原则上非常有希望将量子尺寸缩放到大量。 Srinivasa说，如今存在的先进的半导体技术构成了制造数十亿个微小晶体管的芯片的基础，并且可以利用以使尺寸紧凑的Qubits进行。此外，将Qubits存储在电子的内部特性和其他被称为自旋的半导体颗粒中，可增强保护，以防止每个量子计算平台固有的量子信息损失。
但是，通过简单地将越来越多的旋转Qubits及其相关的控制电路添加到单个Qubits中，可以扩展量子处理器，这在实践中非常具有挑战性。 Srinivasa及其同事的理论工作通过提供了一个逐步指南来解决这个问题，该指南显示了多种方法，可以将长距离旋转量子纠缠在长距离上，并在匹配其频率方面的灵活性。
最终的灵活性为基于半导体的模块化量子信息处理打开了一条途径，这代表了使用小阵列量子阵列（模块） - 今天已经可以制作的替代方法，该方法已经可以制作，并与稳健的远距离纠缠链接连接起来。
Srinivasa说：“这种缩放方法就像使用固定尺寸的乐高积木建立较大的系统，就像单个模块一样，并使用更长的零件将它们连接起来，这些块足够强，可以在外部影响打破链接之前足够的时间保持块之间的连接。” “提供了量子位之间的快速可靠的长距离链接，这种模块化方法允许缩放缩放，同时为自旋量子量控制电路提供更多空间。”完全模块化的半导体量子处理器尚未证明。
尽管有多种类型的Qubits和相应的方式可以使它们相互作用，但研究人员选择研究基于量子点的自旋Qubits，它们通过超导腔中的微波光子相互作用。量子点是为了将电子限制为限制电子的原子状结构，以及用于将Qubits定义的其他粒子限制在半导体内的小空间中，并通过施加电压单独控制它们。同样，超导腔是限制光子但比量子点大得多的制造结构，其大小由微波的波长设定。
最近的实验证明了使用微波腔光子之间的量子点旋转矩之间的长距离联系。 （合着者杰森·佩塔（Jason Petta）的实验研究小组实现了两个硅中两个自旋量子的示范。）
该论文说，但是，调整所有量子频率和光子频率，以便它们恰好匹配并可以交换能量（一种称为共振的条件）来建立链接，即使在两小时的水平上也是一个问题。为了解决这个问题，研究人员提出了一种高度可调的方法，用于使用微波光子连接量子位，而微波光子不依赖所有原始量子和空腔频率之间的共振。
在他们的论文中，研究人员为量身定制的长距离纠缠链接提供了全面的指南，这些链接可以通过使每个量子的多个频率与给定频率的微波腔光子链接来允许灵活性，例如可以适合给定锁的多个键，” Srinivasa说。
可以通过将振荡电压施加到每个旋转量子值中，从而产生额外的频率，该旋转量子量子位于量子点中来回移动旋转。如果这种来回运动足够快，则除了它们的特征频率外，还为每个量子频率创建了两个侧带频率（比原始量子频率更高，频率低一个）。
边带频率的添加会导致三种方式将每个量子量调节与微波腔光子共振，从而将两个Qubits连接起来的九种不同条件。
在共振条件下的这种灵活性将使在系统中添加Qubits变得更加容易，因为它们不需要将所有量子调整为相同的频率。此外，链接两个量子位的九种方法可以通过适当设置振荡电压来选择几种不同类型的纠缠操作，而无需修改量子点或空腔光子的结构。
纠缠链接类型的多功能性使一组扩展的基本量子操作集可以执行计算。最后，研究人员表明，与以前的方法相比，他们提出的纠缠方法对从腔中的光子泄漏不太敏感，从而可以在自旋量子量之间建立更强的长距离链接。
Srinivasa说：“匹配频率中的灵活性在量身定制量子位之间的量子纠缠操作类型方面的多功能性以及对腔光子光子泄漏的敏感性降低使我们提出的基于侧带频率的方法有望实现使用半导体量子处理器使用半导体量子器实现模块化量子处理器。” “我为下一步感到兴奋，那就是将这些想法应用于实验室中的真实量子设备，并找出我们需要做什么才能使该方法在实践中起作用。”
