量子计算机有望执行某些最强大的超级计算机也难以处理的任务。科学家们预计，未来将会使用量子计算来模拟材料系统、量子化学，以及优化金融和制药领域里一些困难的任务。
然而，实现这一承诺需要弹性和可扩展的硬件。建造大规模量子计算机的一个挑战是，研究人员必须找到一种有效的方法来连接量子信息节点——分散在计算机芯片上的较小规模的处理节点。量子计算机与经典计算机有着本质的不同，用于交流电子信息的常规技术不会直接转化为量子器件。然而，一个要求是肯定的：无论经典还是量子互连，所携带的信息必须被传输和接收。
研究人员展示的定向光子发射，这是实现可扩展量子互连的第一步。
为此，麻省理工学院的研究人员开发了一种量子计算架构，有望实现超导量子处理器之间可扩展的高保真通信。在《自然 . 物理》杂志发表的论文中，研究人员展示了工作的第一步，在用户指定的方向上确定性地发射单个光子——信息载体。他们的方法确保量子信息在96%以上的时间里沿着正确的方向流动。
将这些模块中的几个连接起来，就形成一个更大的量子处理器网络，这些处理器相互连接，不管它们在计算机芯片上的物理位置如何。
“量子互连是实现由较小的单个组件构建的模块化、大规模机器的关键一步，”Bharath Kannan PhD说，他是描述这一技术的研究论文的第一作者。
Kannan补充说，“较小子系统之间的通信能力将为量子处理器提供模块化架构，与使用单一大型复杂芯片的蛮力方法相比，这可能是一种更简单的扩展到更大系统规模的方法。”
Kannan与合著者Aziza Almanakly共同撰写了这篇论文，Aziza Almanakly是麻省理工学院电子研究实验室(RLE)工程量子系统组的电子工程和计算机科学研究生。资深作者William D. Oliver是麻省理工学院电气工程、计算机科学和物理学教授，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。
移动量子信息
经典计算机中，各种组件执行不同的功能，例如存储、计算等。电子信息被编码并存储为比特(取值为1或0)，通过互连在这些组件之间穿梭，互连是在计算机处理器上移动电子的导线。
量子信息更复杂。量子信息也可以同时是0和1，而不是只保存0或1的值(这种现象称为叠加)。此外，量子信息可以由称为光子的光粒子携带。这些额外的复杂性使量子信息变得脆弱，不能简单地使用传统协议进行传输。
量子网络使用光子通过称为波导的特殊互连来连接处理节点。波导可以是单向的，只向左或向右移动光子，也可以是双向的。
大多数现有的体系结构使用单向波导，由于光子传播的方向容易确定，因此单向波导更容易实现。由于每个波导只在一个方向上移动光子，随着量子网络的扩展，更多的波导变得必要，这使得这种方法难以扩展。此外，单向波导通常包含额外的组件来增强方向性，这会引入通信错误。
“如果有一个波导可以支持左右两个方向的传播，并且有一种方法可以随意选择方向，我们就可以摆脱这些有损耗的组件。Kannan说，“这种‘定向传输’正是我们所展示的，它是朝着更高保真度的双向通信迈出的第一步。”
使用这种架构，多个处理模块可以沿着一个波导串起来。他说，这种架构设计的一个显著特点是，同一个模块既可以用作发射器，也可以用作接收器。并且光子可以沿着公共波导被任意两个模块发送和捕获。
“我们只有一个物理连接，沿途可以有任意数量的模块。这就是可伸缩性。Almanakly补充说:“我们已经证明了一个模块的定向光子发射，现在我们正致力于在第二个模块捕获下游的光子。”
优化量子特性
为了实现这一目标，研究人员建立了一个包含四个量子位的模块。
量子位是量子计算机的构建模块，用于存储和处理量子信息。量子位也可以用作光子发射器。向量子位添加能量会导致量子位被激发，然后当它去激发时，量子位会以光子的形式发射能量。
然而，简单地将一个量子位连接到波导并不能确保方向性。单个量子位发射一个光子，但它是向左还是向右传播完全是随机的。为了解决这个问题，研究人员利用两个量子位和一种称为量子干涉的属性来确保发射的光子沿着正确的方向传播。
这项技术包括制备两个量子位，使其处于一种叫做贝尔态（Bell state）的单一激发纠缠态。这个量子力学状态包括两个方面：被激发的左量子位和被激发的右量子位。这两个方面同时存在，但在给定时间激发哪个量子位是未知的。
当量子位处于纠缠贝尔态时，光子有效地同时发射到两个量子位所在的波导，这两个“发射路径”相互干涉。根据贝尔态内的相对相位，所产生的光子发射必须向左或向右行进。通过准备具有正确相位的贝尔态，研究人员可以选择光子穿过波导的方向。
他们可以使用相同的技术，但反过来，在另一个模块接收光子。
“光子有一定的频率，一定的能量，你可以准备一个模块，通过调谐到相同的频率来接收它。如果它们不在同一个频率，那么光子就会刚好经过。这类似于把收音机调到一个特定的电台。如果我们选择了正确的无线电频率，我们就能接收到在那个频率上传输的音乐，”Almanakly说。
研究人员发现，他们的技术实现了超过96%的保真度——这意味着，如果他们打算向右侧发射光子，96%的时间它会向右。
现在他们已经使用这种技术有效地向特定方向发射光子，研究人员希望连接多个模块，并使用该过程发射和吸收光子。这将是向模块化架构发展的重要一步，该架构将许多较小规模的处理器组合成一个更大规模、更强大的量子处理器。
“这项工作展示了一种按需量子发射器，其中从纠缠态发射的光子的干涉定义了方向，完美地展示了波导量子电动力学的力量，”RIKEN量子计算中心主任Yasunobu Nakamura说，他没有参与这项研究。“它可以用作完全可编程的量子节点，可以在量子网络上发射/吸收/传递/存储量子信息，也可以用作连接多个量子计算机芯片的总线接口。”
原文链接：
https://news.mit.edu/2023/quantum-interconnects-photon-emission-0105
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