如果无法读取输出结果，那么功能强大的计算机又有什么用呢？或者无法随时重新编程来完成不同的工作？设计量子计算机的人面临着这些挑战，而一种新设备可能会让这些问题变得更容易解决。

该设备由美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家团队推出，包括两个超导量子比特（或称量子比特），量子比特是量子计算机与经典计算机处理芯片中逻辑比特的类似物。这种新策略的核心依赖于一个"拨动开关"装置，它将量子比特连接到一个名为"读出谐振器"的电路上，该电路可以读出量子比特的计算输出。

拨动开关装置

(资料图)

这个拨动开关可以切换到不同的状态，以调整量子比特与读出谐振器之间的连接强度。当开关关闭时，所有三个元件相互隔离。当开关被打开以连接两个量子比特时，它们就可以相互作用并进行计算。计算完成后，切换开关可以连接任一量子比特和读出谐振器，以检索结果。

量子计算机电路中的一个常见问题是，量子比特难以进行计算并清楚地显示计算结果。

这张照片显示的是器件的中央工作区。在下部，三个大矩形（浅蓝色）分别代表左右两个量子比特或量子位，以及中间的谐振器。在放大的上部剖面图中，微波通过天线（底部深蓝色大矩形）时，会在 SQUID 环形（中间较小的白色正方形，边长约 20 微米）中产生磁场。磁场激活了拨动开关。微波的频率和幅度决定了开关的位置以及量子比特和谐振器之间的连接强度。资料来源：R. Simmonds / NIST

提高性能和保真度

本文作者之一、NIST 物理学家雷-西蒙兹（Ray Simmonds）说："我们的目标是让量子比特保持愉悦，这样它们就能心无旁骛地进行计算，同时还能在我们想要的时候读出它们。这种设备架构有助于保护量子比特，并有望提高我们进行高保真测量的能力，而高保真测量是用量子比特构建量子信息处理器所必需的。"

该团队还包括来自马萨诸塞大学洛厄尔分校、科罗拉多大学博尔德分校和雷神 BBN 技术公司的科学家，他们在最近发表于《自然-物理》杂志的一篇论文中介绍了自己的研究成果。

量子计算： 现状与挑战

量子计算机目前仍处于发展的初级阶段，它将利用量子力学的奇异特性来完成即使是最强大的经典计算机也难以完成的工作，例如通过对化学相互作用进行复杂的模拟来帮助开发新药物。

然而，量子计算机设计人员仍然面临许多问题。其中一个问题是，量子电路会受到外部甚至内部噪声的影响，这些噪声来自于制造计算机的材料缺陷。这种噪声本质上是一种随机行为，会在量子比特计算中产生误差。

量子计算中的噪声问题

当今的量子比特本身就存在噪声，但这并不是唯一的问题。许多量子计算机设计都采用所谓的静态架构，即处理器中的每个量子比特都与相邻的量子比特及其读出谐振器物理连接。将量子比特连接在一起并与其读出器相连的人造线路会使它们受到更多噪声的影响。

这种静态架构还有另一个缺点： 它们不容易重新编程。静态架构的量子比特可以完成一些相关的工作，但要让计算机执行更广泛的任务，就需要更换不同的处理器设计，采用不同的量子比特组织或布局。(想象一下，每当需要使用不同的软件时，就需要更换笔记本电脑中的芯片，再考虑到芯片需要保持在绝对零度以上一丁点，你就会明白为什么这会带来不便）。

可编程拨动开关解决方案

该团队的可编程拨动开关避免了上述两个问题。首先，它可以防止电路噪声通过读出谐振器悄悄进入系统，并防止量子比特在本应安静的时候相互对话，这减少了量子计算机中的一个关键噪声源。

其次，元件之间开关的打开和关闭是由一列从远处发送的微波脉冲控制的，而不是通过静态结构的物理连接。集成更多这种拨动开关可以成为更容易编程的量子计算机的基础。微波脉冲还可以设定逻辑运算的顺序和序列，这意味着使用该团队的许多拨动开关构建的芯片可以被指示执行任意数量的任务。

"这使得芯片可以编程，"西蒙兹说。"芯片上没有完全固定的架构，而是可以通过软件进行更改。"

其他优势和未来发展方向

最后一个好处是，拨动开关还可以同时开启对两个量子比特的测量。这种要求两个量子比特作为一对显示自己的能力，对于追踪量子计算错误非常重要。

这次演示中的量子比特以及拨动开关和读出电路都是由超导元件制成的，这些元件导电时没有电阻，而且必须在非常低的温度下工作。拨动开关本身是由超导量子干涉装置（或称"SQUID"）制成的，它对穿过其回路的磁场非常敏感。在需要时，通过附近的天线环路驱动微波电流可以诱导量子比特与读出谐振器之间的相互作用。

目前，该研究小组只使用了两个量子比特和一个读出谐振器，但西蒙兹说，他们正在准备一个包含三个量子比特和一个读出谐振器的设计，并计划增加更多的量子比特和谐振器。进一步的研究可以深入了解如何将许多这样的设备串联在一起，从而有可能提供一种方法来构建具有足够量子比特的强大量子计算机，以解决目前还无法解决的各种问题。

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