麻省理工学院设计的一种新型电路实现了创纪录的非线性耦合，使得量子运算的速度大大提高。
这一进展的核心是“四量子比特耦合器”，它能增强光与物质以及物质与物质之间的相互作用。这一进展可能会让量子读出速度变得更快，这对于纠错和计算保真度至关重要。
解锁量子计算的速度潜力
量子计算机有望给材料科学和人工智能等领域带来革命性变化。它们有朝一日也许能够模拟复杂的材料，或将机器学习模型的运算速度提高至远超当今水平的程度。
然而，这些突破只有在量子计算机能够极快地运行的情况下才能实现。为了可靠地运行，它们必须在累积的误差影响结果之前测量量子态并进行误差校正。这一过程被称为读出，它取决于光子（携带量子信息的光粒子）与存储这些信息的人工原子——量子元件的相互作用强度。
实现更强的光物质耦合
麻省理工学院的研究人员已经证实，这可能是量子系统中观测到的最强的非线性光物质耦合。这一突破将使量子计算机能够在短短几纳秒内执行操作和读取。
该团队采用了一种新型超导电路设计，实现了比先前尝试高大约10倍的耦合强度。这一提升可以显著提高量子处理器的速度。
虽然这种架构尚未准备好在实际量子计算机中部署，但证明其底层物理原理是一个至关重要的里程碑，主要作者、2020级理学硕士、2024级哲学博士余峰（音译）说道。
“这确实能够消除量子计算领域的一个瓶颈。通常，你必须在多轮纠错之间测量你的计算结果。这能够加快我们达到容错量子计算阶段的步伐，从而让我们能够利用量子计算机实现实际应用和价值，”叶说。
本文的主要撰写者还有凯文·奥布莱恩（Kevin O’Brien），他是该论文的高级作者、麻省理工学院（MIT）电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）的副教授兼首席研究员，同时领导电气工程与计算机科学系（EECS）的量子相干电子学小组，本文的其他作者分别来自麻省理工学院、麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）和哈佛大学。该研究成果已于4月30日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。
夸顿耦合器突破
此次物理实验建立在奥布莱恩（O’Brien）小组多年理论研究的基础之上。
2019年，叶同学作为博士生加入该实验室，开始研发一种专门的光子探测器，以增强量子信息处理。
在那项工作中，他发明了一种新型的量子耦合器，这是一种促进量子位（qubits）之间相互作用的装置。量子位是量子计算机的基本组成部分。这种所谓的夸顿耦合器（quarton coupler）在量子运算和读取方面有着诸多潜在应用，很快就成为了实验室的研究焦点。
非线性与量子速度
这种四量子比特耦合器是一种特殊类型的超导电路，具有产生极强非线性耦合的潜力，这对于运行大多数量子算法至关重要。随着研究人员向耦合器中馈入更多电流，它将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表现大于其各部分的总和，呈现出更复杂的特性。
叶（Ye）解释道：“量子计算中有用的交互大多来自光与物质的非线性耦合。如果你能够获得更多不同种类的耦合，并增强耦合强度，那么你就可以大幅提升量子计算机的处理速度。”
更快测量量子态
对于量子读出，研究人员将微波光照射到量子位上，然后，根据该量子位是处于0态还是1态，其相关的读出谐振器会发生频率偏移。他们通过测量这种偏移来确定量子位的状态。
量子位和谐振器之间的非线性光物质耦合使得这一测量过程得以实现。
麻省理工的研究人员设计了一种架构，用一个四重耦合器将芯片上的两个超导量子比特连接起来。他们将一个量子比特转变为谐振器，用另一个量子比特作为存储量子信息的人造原子。这些信息以微波光粒子的形式进行传输，这种粒子被称为光子。
叶（Ye）解释道：“这些超导人造原子与传输信号的微波光之间的相互作用，基本上是构建整个超导量子计算机的方式。”
打造迄今为止最快的读出系统
四量子位耦合器在量子位和共振器之间产生了非线性的光物质耦合，其强度比以前研究人员实现的强度高出约一个数量级。这可以使量子系统的读取速度实现闪电般提升。
奥布莱恩说：“这项工作并不是故事的结局。这是基础物理学的演示，但我们的团队目前正在努力实现快速读取。”
这将涉及增加额外的电子元件，如滤波器，以形成一个读出电路，该电路可以整合到更大的量子系统中。
研究人员还证明了极强的物质-物质耦合，这是量子操作中另一种重要的量子位相互作用。这也是他们计划在未来工作中探索的另一个领域。
迈向容错量子计算的未来
对于量子计算机而言，快速运算和读取尤为重要，因为量子比特具有有限的生命周期，这一概念被称为相干时间。
更强的非线性耦合能够使量子处理器运行得更快且误差更低，从而使量子比特在相同时间内执行更多操作。这意味着量子比特在其生命周期内可以进行更多轮的错误纠正。
叶说：“错误校正的次数越多，结果中的错误率就越低。”
从长远来看，这项工作有助于科学家建造容错量子计算机，这对于实际的大规模量子计算至关重要。
本研究部分得到了陆军研究办公室、亚马逊网络服务量子计算中心以及麻省理工学院量子工程中心的资助。
参考文献：《超导电路中的近超强非线性光物质耦合》，作者：叶宇峰、杰里米·B·克莱恩、叶立诚、格雷戈里·坎宁安、谭马克、臧爱丽西亚、迈克尔·金格拉斯、贝萨尼·M·尼杰尔斯基、汉娜·斯蒂克勒、凯尔·塞尔尼亚克、莫莉·E·施瓦茨和凯文·P·奥布莱恩，发表于2025年4月30日，《自然-通讯》。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s41467-025-59152-z
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