眾所周知，量子計算機能夠解決最強大的經典超級計算機也無法破解的復雜問題。

就像經典計算機擁有獨立卻相互連接、協同工作的組件（比如主板上的 CPU、內存等）一樣，量子計算機也需要在多個處理器之間傳遞量子信息。

目前，用于連接超導量子處理器的架構是“點對點”的連接方式，這意味著它們需要在網絡節點之間進行一系列傳輸，而每次傳輸都會導致錯誤疊加，導致錯誤率相對較高。

（來源：MIT News）

為了克服這些挑戰，麻省理工學院的研究團隊開發了一種新的互連裝置，該設備支持可擴展的“多對多”通信模式能讓網絡中的所有超導量子處理器直接相互通信。

研究人員搭建了一個包含兩個量子處理器的網絡，并利用他們研發的互連裝置，在用戶定義的方向上發送微波光子。光子作為攜帶量子信息的光粒子，在這個過程中發揮著重要作用。

該設備包含一條超導線（波導），能在處理器之間傳輸光子，而且研究人員可根據需求對其進行布線，延伸到更長距離。通過將任意數量的模塊耦合到波導上，研究人員就能夠在可擴展的處理器網絡間高效傳輸信息。

他們借助這一互連設備成功演示了遠程糾纏現象（指未通過物理連接的量子處理器之間存在的關聯），它是構建由眾多量子處理器組成的強大分布式網絡的關鍵環節。

“在未來，量子計算機可能既需要本地互連，也需要非本地互連。在超導量子比特陣列中，本地互連很常見，而我們的設備則為實現更多非本地連接提供了可能，能夠以不同頻率、時間，在兩個傳播方向上傳輸光子，這大大提升了網絡的靈活性和吞吐量。”這篇論文的第一作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學研究生 Aziza Almanakly 表示。

（來源：Nature Physics）

目前，這篇研究論文已經發表在Nature Physics上，論文合著者包括麻省理工學院的 William D. Oliver 教授、研究生 Beatriz Yankelevich，以及來自林肯實驗室的其他人員。此外，這項研究工作得到了美國陸軍研究辦公室、AWS 量子計算中心和美國空軍科學研究辦公室的部分資助。

可擴展架構

此前，研究人員開發出一種量子計算模塊，借助該模塊能夠沿著波導向任意方向發送攜帶信息的微波光子。

在新的研究工作中他們進一步拓展這一架構，將兩個模塊連接到一個波導上，實現光子沿所需方向發射，并在另一端被吸收。

每個模塊由四個量子比特構成，這些量子比特充當攜帶光子的波導與更大的量子處理器之間的接口。耦合到波導的量子比特負責發射和吸收光子，隨后光子會傳輸到附近的存儲量子比特。

研究人員通過一系列微波脈沖為量子比特注入能量，量子比特吸收能量后會發射光子。通過精確控制這些脈沖的相位，能夠產生量子干涉效應，進而實現沿波導向任一方向發射光子。而通過時間上反轉這些脈沖，另一個模塊中的量子比特就能吸收光子，無論兩個模塊距離有多遠。

“發射和接收光子讓我們可以在非本地量子處理器之間建立‘量子互連’，而量子互連是實現遠程糾纏的關鍵。”Oliver 解釋道。

Yankelevich 補充說：“生成遠程糾纏是從小規模模塊構建大規模量子處理器的重要一步。即便光子消失，兩個相距遙遠的‘非本地’量子比特之間依然會存在相關性。借助遠程糾纏，我們就能利用這些相關性，在兩個量子比特之間執行并行操作，哪怕它們不再連接且相隔甚遠。”

形成糾纏態

然而，僅僅在兩個模塊之間傳輸光子并不足以產生遠程糾纏，研究人員還需要對量子比特和光子進行預先準備，確保在協議結束時，兩個模塊能“共享”光子。

他們通過在光子發射脈沖持續時間的中途停止發射脈沖成功實現了這一目標。用量子力學術語來說，此時光子處于“既保留又發射”的狀態，用經典物理的比喻來說，可認為一半的光子被保留，另一半被發射，即“半光子”。

一旦接收模塊吸收了這個“半光子”，兩個模塊便形成了糾纏態。不過，在光子傳播過程中，波導中的接頭、引線鍵合和連接等因素會使光子產生畸變，降低接收模塊的吸收效率。

為了生成保真度足夠高的遠程糾纏，研究人員需要盡可能提高光子在另一端被吸收的頻率。“這項工作的難點在于如何恰當地塑造光子形態，從而最大限度提高吸收效率。”Almanakly 表示。

為此，他們運用一種強化學習算法對光子進行“預畸變”處理。該算法通過優化協議脈沖來塑造光子形態，進而實現最高的吸收效率。

實驗顯示，當他們采用這種優化后的協議時，光子吸收效率超過了 60%。這一吸收效率已經足夠高，可以證明協議結束時兩個模塊的狀態是糾纏態，而這是此次實驗中的一個重要里程碑。

“我們可以利用這種架構創建具有多對多連接的網絡。這意味著同一總線上可以有多個模塊，并且我們能在任意選定的模塊對之間實現遠程糾纏。”Yankelevich 表示。

展望未來，研究人員計劃通過優化光子傳播路徑來進一步提高吸收效率，比如采用 3D 集成模塊，取代使用超導線連接單個微波封裝的方式。同時，他們還打算加快協議執行速度，減少錯誤累積的可能性。

“從理論上講，這種遠程糾纏生成協議也可以推廣到其他類型的量子計算機，以及更大規模的量子互聯網系統中。”Almanakly 表示。

https://news.mit.edu/2025/device-enables-direct-communication-among-multiple-quantum-processors-0321