研究人员打造新接口利用光来扩展量子计算机

Nu Quantum

量子计算机理论上可以找到常规计算机需要亿万年才能解决的问题的答案，但科学家目前面临着将其扩展到实际应用的巨大挑战。现在，英国的一家初创公司表示，他们已经开发出一种量子版本的网络接口卡，可以将数据中心的服务器连接在一起。该公司的目标是帮助将当今相对较小的量子处理器融合到有用的机器中。

经典计算机通过打开或关闭晶体管来将数据符号化为1或0。相比之下，量子计算机使用量子比特，也称为量子位。量子物理学的模糊性使量子位处于一种称为叠加的状态，在这种状态下，它们基本上同时是1和0。这种现象让每个量子比特一次执行两次计算。它也会同时吐出两个答案，以不可解释的叠加方式混杂在一起，除非它被用于一种聪明的算法，如Shor（https://spectrum.ieee.org/encryptionbusting-quantum-computer-practices-factoring-in-scalable-fiveatom-experiment）或Grover（https://en.wikipedia.org/wiki/Grover%27s_algorithm）的算法，或者用于模拟原子或分子等固有的量子现象。量子计算机内量子力学连接或纠缠的量子位越多，对于存在智能算法的问题，其计算能力就越能以指数方式增长。

英国剑桥量子网络公司Nu quantum的创始人兼首席执行官Carmen Palacios Berraguero表示：“量子计算真正改变许多行业的潜力是巨大的。但这些计算机需要非常强大才能实现这一点。”

目前，量子计算机是嘈杂的中等规模量子平台，这意味着它们的量子比特数量最多在数百个（https://spectrum.ieee.org/quantum-computing）。Palacios Berraguero说，未来的量子计算机可能需要数千甚至数百万个量子位来帮助补偿误差并证明其有用。

然而，叠加和纠缠是非常脆弱的现象，容易受到热量和其他干扰的影响。这使得扩大量子计算机中量子比特的数量成为一项巨大的技术挑战。

Palacios Berraguero说：“不可能建造一个拥有数十万或数百万量子比特的单个量子处理单元 —— 由于产量和性能，有很多物理限制。”

量子网络接口卡

为了克服这一障碍，Nu Quantum建立了一个原型量子比特光子接口，将多个量子处理器连接在一起。Palacios Berraguero说：“我们在那里开发网络技术，帮助该行业跨越其面临的规模鸿沟。我们希望转向模块化、更小、更高效、通过网络互连的量子处理单元，而不是试图建造越来越大、效率低下的一次性机器。”

这种新设备旨在将量子比特与光子纠缠在一起。然后，这些光子可以与其他量子比特纠缠，从而将所有量子比特纠缠在一起。

Palacios Berraguero说：“这是量子行业历史上第一次有公司制造出相当于网络接口卡的产品。”

光子可以以光速将纠缠从一个量子比特转移到另一个量子比特，考虑到量子态通常是短暂的，这一点尤其重要。Nu quantum技术副总裁Claire Le Gall表示，光子还提供无线纠缠，限制了可能破坏脆弱量子态的物理连接。

Palacios Berraguero说，该装置的核心是一个微观腔，一个“几乎原子级光滑”的球面镜。Le Gall解释说，它将光子限制在微小空间的方式有助于它们以更强的方式与量子比特相互作用。

为了增强量子比特光子纠缠，Nu Quantum希望控制这些腔的长度，以确保它们与量子比特共振。他们将这些腔的长度稳定在80皮米，或小于原子的宽度。Le Gall说：“另一种思考方式是，这是一个毫米长的腔体，因此将其稳定在80皮米就像知道帝国大厦的高度和人类头发的宽度一样。”

尽管科学家们之前在实验室中已经实现了这种量子比特光子纠缠，但Le Gall说：“这些都是概念的证明，通常是用手工组装的腔体。” 相反，Nu Quantum正在研发“坚固、耐用、可重复的设备，这样你就可以一次又一次地构建同样的东西，每次都能正常工作”。

如何扩展量子计算机

Le Gall说，之前在量子比特光子界面上的最佳尝试实现了每秒约200次的纠缠率，保真度约为97%，“或每100次尝试约3次错误”。Nu Quantum希望其原型设备将提供重大改进，纠缠率约为每秒10000次或更高。Palacios Berraguero说：“我们希望一年后保真度达到98%，然后很快超过99%。”

目前，存在各种量子比特平台，如超导电路、电磁俘获离子和硅内的自旋。首先，Nu Quantum的目标是使用他们的新设备，该设备具有由中性带电的铷原子组成的量子比特，使用近红外光子。该公司还计划对捕获离子量子位进行实验。Palacios Berraguero指出，科学家们目前正在研究如何将量子微波信号转换为量子光信号，这可以使他们的设备与超导电路和硅自旋量子比特一起使用。

研究人员预计，他们的新设备将只与量子处理器上的一个量子比特进行交互。Palacios Berraguero说，然后，这个量子比特继续和机器内的任何数量的其他量子比特相互作用。

Nu Quantum已成功将其原型量子比特光子接口集成到超高真空电池中。Palacios-Berraquero说：“下一步将是用量子比特对其进行测试。”

除了帮助量子计算网络扩展之外，新的原型有朝一日还可以帮助扩展量子传感器网络和量子通信网络。Palacios Berraguero说：“这是一种非常基本的产品原型，适用于一系列用例。”