摘要：研究人员已经意识到了超导量子处理器的新设计，目的是针对量子革命需求的大规模耐用设备的潜在体系结构。与将信息处理量子母放在2-D网格上的典型量子芯片设计不同，该团队设计了一个模块化量子处理器，其中包括可重构路由器作为中央集线器。这使任何两个量子位都可以连接和纠缠，在较旧的系统中，Qubits只能与Qubits物理靠近它们的Qubits对话。...

Uchicago Pritzker分子工程学院（Uchicago PME）的研究人员已经意识到了超导量子处理器的新设计，目的是针对大型，耐用设备的潜在建筑，量子革命需求。

与将信息处理量子台放到2-D网格上的典型量子芯片设计不同，Cleland Lab的团队设计了一个模块化量子处理器，该模块化量子处理器包括可重新配置的路由器作为中央集线器。这使任何两个量子位都可以连接和纠缠，在较旧的系统中，Qubits只能与Qubits物理靠近它们的Qubits对话。

Uchicago PME PME教授安德鲁·克莱兰德（Andrew Cleland）说：“量子计算机不一定会在记忆尺寸或CPU大小之类的东西上与古典计算机竞争。” “相反，他们利用了从根本上不同的缩放：加倍经典计算机的计算能力需要两倍的CPU，或者是时钟速度的两倍。加倍量子计算机只需要一个额外的量子。”

从古典计算机中汲取灵感，设计簇围绕着中心路由器，类似于PC通过中央网络集线器相互交流的方式。量子“开关”可以在几纳秒内连接并断开任何量子，从而使高保真量子门和量子纠缠的产生是量子计算和通信的基本资源。

Uchicago PME PHD候选人Xuntao Wu说：“原则上，可以通过路由器连接的量子位数量没有限制。” “如果您想要更多的处理能力，只要它们适合某个足迹，就可以连接更多的量子位。”

吴是发表在物理评论x这描述了这种连接超导码头的新方法。研究人员的新量子芯片具有柔性，可扩展性，并且与手机和笔记本电脑中的芯片一样模块化。

吴说：“想象一下，您有一台经典的计算机，该计算机的主板集成了许多不同的组件，例如CPU或GPU，内存和其他元素。” “我们目标的一部分是将此概念转移到量子领域。”

大小和噪音

量子计算机是高度先进但精致的设备，具有改变电信，医疗保健，清洁能源和加密等领域的潜力。在量子计算机可以解决这些全球问题之前，必须发生两件事。

首先，必须将它们缩放到足够大的尺寸，并具有灵活的可操作性。

Cleland说：“这种缩放可以为计算问题提供解决方案，而经典计算机根本无法解决地解决这些问题，例如考虑大量数字，从而破解加密代码。”

其次，它们必须具有容忍性，能够在很少的错误中执行大规模计算，理想情况下超过了当前最新经典计算机的处理能力。在此处开发的超导量子平台是构建量子计算机的一种有前途的方法。

合着者Haoxiong Yan说：“典型的超导处理器芯片是正方形的，上面有所有量子位。它是平面结构上的固态系统。”春季从Uchicago PME毕业的合着者Haoxiong Yan说。 “如果您可以想象一个二维阵列，例如正方形晶格，那就是典型的超导量子处理器的拓扑。”

典型设计的局限性

这种典型的设计会引起几个局限性。

首先，将Qubits放在网格上意味着每个量子位只能与其他四个Qubits相互作用 - 其北部，南，东部和西部的直接邻居。较高的量子连接性通常可以在灵活性和组件开销方面具有更强大的处理器，但是通常认为四邻居限制的限制是平面设计所固有的。对于实用的量子计算应用程序，这意味着使用残酷的力量扩展设备可能会导致不切实际的资源要求。

其次，最近的邻居连接将依次限制可以实现的量子动力学类别以及处理器能够执行的并行性范围。

最后，如果所有量子位均在同一平面基板上制造，那么这对制造产量构成了重大挑战，因为即使是少数故障设备也意味着处理器无法正常工作。

Yan说：“要进行实用的量子计算，我们需要数百万甚至数十亿吨，我们需要完美地使一切变得完美。”

重新考虑芯片

为了解决这些问题，团队修饰了量子处理器的设计。该处理器的设计为模块化，以一种可以在安装到处理器主板上之前预先选择不同组件的方式。

团队的下一步是努力将量子处理器扩展到更多QUBIT，找到扩展处理器功能的新颖协议，并可能找到链接连接路由器连接的Qubit簇的方法，以链接SuperComputer的方式链接其组件处理器的方式。

他们还希望扩大他们可以纠缠量子的距离。

吴说：“目前，耦合范围是中等范围的毫米。” “因此，如果我们试图考虑连接远程量子位的方法，那么我们必须探索将其他类型的技术与当前设置集成的新方法。”

资金：设备和实验得到了陆军研究办公室和物理科学实验室（ARO Grant No. W911NF2310077）和空军科学研究办公室（AFOSR Grant No. FA9550-20-1-0270）