摘要：研究人员表明，在量子电路中表现出极强的非线性光肌耦合。更强的耦合可实现更快的量子读数和操作，最终提高了量子操作的准确性。...

将来，量子计算机可以快速模拟新材料或帮助科学家开发更快的机器学习模型，从而为许多新的可能性打开了大门。

但是，只有在量子计算机可以非常快速执行操作的情况下，这些应用才能实现，因此科学家可以进行测量并进行更正，然后再增加错误率降低其准确性和可靠性。

这种测量过程的效率（称为读取）取决于光子之间耦合的强度，这些光子是带有量子信息和人工原子的光颗粒，这些单位通常用于将信息存储在量子计算机中。

现在，麻省理工学院的研究人员已经证明了他们认为是量子系统中实现的最强的非线性光结合耦合。他们的实验是迈向实现量子操作和读数的一步，可以在几个纳秒中执行。

研究人员使用了新型的超导电路结构来显示非线性光 - 耦合，该耦合的数量级比以前的演示强，这可以使量子处理器能够快10倍。

Yufeng“ Bright” Ye Phd '24说，这项研究的主要作者说，在实际量子计算机中使用架构之前，还有很多工作要做，但是证明该过程背后的基本物理学是朝着正确方向迈出的重要一步。

“这确实将消除量子计算中的瓶颈之一。通常，您必须在误差校正回合之间测量计算结果。这可能会加速我们能够迅速到达易耐故障的量子计算阶段，并能够从我们的量子计算机中获得现实世界中的应用和价值，”您说。”

高级作家凯文·奥布莱恩（Kevin O'Brien）加入了他的论文，MIT的副教授兼首席研究员兼首席研究员，领导电气工程和计算机科学（EEC）的量子相干电子集团（EEC）以及麻省理工学院MIT林肯实验室和哈佛大学的其他人。该研究出现在自然通讯。

一个新的耦合器

这种物理演示基于奥布莱恩集团多年来的理论研究。

Ye于2019年加入实验室后，他开始开发专门的光子检测器，以增强量子信息处理。

通过这项工作，他发明了一种新型的量子耦合器，该量子耦合器是一种促进量子位之间相互作用的设备。 Qubits是量子计算机的基础。这个所谓的分射耦合器在量子操作和读数中具有许多潜在的应用，以至于它很快成为了实验室的重点。

该分射耦合器是一种特殊类型的超导电路，具有产生极强的非线性耦合的潜力，这对于运行大多数量子算法至关重要。随着研究人员将更多的电流馈入耦合器，它会产生更强的非线性相互作用。从这个意义上讲，非线性意味着系统的行为比其部分总和更大，表现出更复杂的属性。

Ye解释说：“量子计算中的大多数有用的相互作用都来自光和物质的非线性耦合。如果您可以获得更广泛的不同类型的耦合范围，并提高耦合强度，那么您可以从本质上提高量子计算机的处理速度，” Ye解释说。

对于量子读数，研究人员将微波灯光照在量子位上，然后根据该量子位在状态0还是1处，其关联的读出谐振器有频移。他们衡量这一转变以确定量子队的状态。

量子和谐振器之间的非线性光 - 耦合可以实现此测量过程。

麻省理工学院的研究人员设计了一个建筑，该建筑具有一个与芯片上两个超导量子台相连的分射耦合器。他们将一个Qubit变成一个谐振器，并将另一个量子置为一个人工原子，该原子存储量子信息。此信息以称为光子的微波光颗粒的形式传输。

Ye解释说：“这些超导性人造原子与路由信号的微波灯之间的相互作用基本上是整个超导量子计算机的建造方式。”

启用更快的读数

夸顿耦合器在Qubit和谐振器之间创建非线性光 - 耦合，这比研究人员以前实现的数量级大。这可以使量子系统具有闪电般的读数。

奥布莱恩说：“这项工作并不是故事的终结。这是基本的物理演示，但是小组中正在进行的工作正在进行真正的快速读数。”

这将涉及添加其他电子组件（例如过滤器），以产生可以将读数电路纳入较大的量子系统。

研究人员还显示出非常强大的物质耦合，这是另一种对量子操作很重要的量子相互作用。这是他们计划在未来工作中探索的另一个领域。

快速操作和读数对于量子计算机尤其重要，因为粒子具有有限的寿命，这是一个称为连贯时间的概念。

更强的非线性耦合使量子处理器可以更快地运行，并且误差较低，因此Qubits可以在相同的时间内执行更多操作。这意味着量子位可以在其寿命中进行更多的误差校正。

Ye说：“您可以进入的错误校正越多，错误将越低。”

从长远来看，这项工作可以帮助科学家构建一台容忍故障的量子计算机，这对于实用的大规模量子计算至关重要。

这项研究部分得到了陆军研究办公室，AWS量子计算中心和MIT量子工程中心的支持。