摘要：研究人员开发了可扩展的互连，该连接通过使每个量子处理器模块之间的全部通信促进了各个量子处理器模块之间的全部通信，从而使每个人都能以用户指定的方向发送和接收量子信息。他们使用互连演示远程纠缠，这是一种相关性的类型，是创建功能强大的量子处理器网络的关键。...

量子计算机具有解决复杂问题的潜力，对于最强大的经典超级计算机来说，这是不可能的。

就像一台古典计算机具有必须共同工作的单独但相互联系的组件，例如内存芯片和主板上的CPU一样，量子计算机将需要在多个处理器之间传达量子信息。

用于互连超导量子处理器的当前体系结构在连接性上是“点对点”，这意味着它们需要在网络节点之间进行一系列转移，并具有更复杂的错误率。

在克服这些挑战的过程中，麻省理工学院的研究人员开发了一种新的互连设备，可以支持可扩展的“全能”通信，以便网络中的所有超导量子处理器都可以直接相互交流。

他们创建了一个由两个量子处理器组成的网络，并使用其互连来以用户定义的方向来回发送微波光子。光子是可以携带量子信息的光颗粒。

该设备包括一条超导电线或波导，可在处理器之间穿梭光子，并且可以根据需要路由。研究人员可以将任意数量的模块与之搭配，从而有效地在可扩展的处理器网络之间传输信息。

他们使用此互连来演示远程纠缠，这是未物理连接的量子处理器之间的一种相关性。远程纠缠是开发许多量子处理器的强大，分布式网络的关键步骤。

"In the future, a quantum computer will probably need both local and nonlocal interconnects. Local interconnects are natural in arrays of superconducting qubits. Ours allows for more nonlocal connections. We can send photons at different frequencies, times, and in two propagation directions, which gives our network more flexibility and throughput," says Aziza Almanakly, an electrical engineering and computer science graduate student in the Engineering电子研究实验室（RLE）的量子系统组和有关互连论文的主要作者。

她的合着者包括Equs集团的研究生Beatriz Yankelevich；高级作家威廉·D·奥利弗（William D. Oliver），麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，物理学，麻省理工学院林肯实验室研究员，量子工程中心主任，RLE副主任；以及麻省理工学院和林肯实验室的其他人。该研究将出现在自然物理学。

可扩展的体系结构

研究人员以前开发了一个量子计算模块，这使他们能够沿波导沿任一方向发送携带信息的微波光子。

在新作品中，他们通过将两个模块连接到波导以朝着所需的方向发射光子，然后在另一端吸收它们，从而使该体系结构更进一步。

每个模块由四个量子位组成，它们用作带有光子和较大量子处理器的波导之间的界面。

模块中的量楼发射并吸收波导，然后将这些信息移交给附近的数据量量，以存储通信结果。

研究人员使用一系列的微波脉冲为量子添加能量，然后发出光子。仔细控制这些脉冲的相位可以产生量子干扰效果，使他们能够沿波导沿任一方向发射光子。及时逆转脉冲可以使另一个模块中的值在任何任意距离中吸收光子。

Oliver解释说：“俯仰和捕获光子使我们能够在非局部量子处理器之间创建'量子互连'，并且随着量子互连的范围，远程纠缠却是遥远的。”

“生成遥远的纠缠是从较小规模模块构建大型量子处理器的关键步骤。即使在光子消失之后，我们在两个远处或'nonlocal'Qubits'Qubits之间存在相关性。远程远程纠缠使我们能够在这些相关性和在两个Qubits之间进行平行操作，即使它们也不是较长的，并且eSTEL eSTEN eSTEL又可能是远处的。

但是，在两个模块之间传输光子不足以产生远程纠缠。研究人员需要准备量子位和光子，以便模块在协议末尾“共享”光子。

产生纠缠

团队通过在其持续时间中途停止光子排放来做到这一点。用量子机械术语，光子既保留又发射。从经典上讲，人们可以认为保留了半个月，并发出了一半。

一旦接收器模块吸收了“半光子”，两个模块就会纠缠。

但是，随着光子的传播，接头，电线键和连接，波导会扭曲光子并限制接收模块的吸收效率。

为了产生足够高的保真度或准确性的远程纠缠，研究人员需要最大程度地吸收光子在另一端吸收的频率。

Almanakly说：“这项工作的挑战是适当地塑造光子，以便我们最大程度地提高吸收效率。”

他们使用强化学习算法来学习如何事先扭曲传播光子。然后，它们“预先介绍”了光子，因此以最佳方式对其进行了形状，以最大化发射和吸收，因为它在模块之间传播。

当他们实施这种优化的吸收方案时，他们能够显示出大于60％的光子吸收效率。

这种吸收效率足够高，可以证明协议末尾的结果状态是纠缠的，这是该示范中的主要里程碑。

Yankelevic：“我们可以使用此体系结构来创建一个具有全部连接的网络。这意味着我们可以在同一总线上拥有多个模块，并且我们可以在我们选择的任何一对中创建远程纠缠。”

将来，它们可以通过优化光子传播的路径来提高吸收效率，也许通过在3D中集成模块，而不是使用连接单独的微波包装的超导导线。它们还可以使协议更快，因此累积错误的机会更少。

Almanakly说：“原则上，我们的远程纠缠生成协议也可以扩展到其他类型的量子计算机和更大的量子互联网系统。”

这项工作部分由美国陆军研究办公室，AWS量子计算中心和美国空军科学研究办公室资助。