物理学家构建了量子计算的基础设备

美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家们成功改进了一种叫做微波环行器的设备，用于量子计算机，首次实现了对量子比特（量子计算的基本单元）和微波谐振腔之间非互易性的精确调节。这项研究成果发表在《科学进展》杂志上。他们的工作提出了一个普遍适用的理论，简化并扩展了旧有关于非互易性的理解，使得未来类似主题的研究可以利用该团队的模型，即便使用不同的组件和平台。

量子计算与我们日常使用的比特计算有着根本的区别。比特通常表示为0或1，是构成我们电子世界中所有软件、网站和电子邮件的基础。而量子计算则依赖“量子比特”或“量子比特”，它们类似于常规比特，但由量子物体的“量子叠加态”表示。量子叠加态使得量子比特不再局限于只能是0或1，而可以同时处于两种状态，这种特性导致了量子计算机更强大的计算能力。

此外，一种称为“非互易性”的属性可以为量子计算开辟额外的途径利用量子世界的潜力。研究人员通过一系列模拟确定了他们的环行器需要具备的设计和特性，以便能够变化其非互易性。接着他们建造了自己的环行器，并进行了一系列实验，不仅证明了他们的概念，还了解到了他们的设备如何实现了非互易性。在这个过程中，他们能够将包含16个参数的初始模型修订为只有六个参数的更简化、更普遍的模型。这个修订后的更普遍的模型比最初更具有实用性，因为它可以广泛应用于未来的一系列研究工作。

这个团队建造的“集成非互易设备”看起来像一个“Y”字。在“Y”字的中心是环行器，就像是调节量子相互作用的微波信号的交通环岛。一个支腿是腔口，是一个共振超导腔，容纳着电磁场。另一个支腿上则放置着量子比特，印刷在蓝宝石芯片上。最后一个支腿是输出端口。

“如果我们通过向超导电磁场投射光子来改变它，”王颖颖说，“我们会发现量子比特以可预测和可控的方式做出反应，这意味着我们可以精确调节我们想要的非互易度。而我们产生的简化模型描述了我们的系统，外部参数可以被计算出来以调节一个精确的非互易度。”

“这是第一次在量子计算设备中嵌入非互易性的演示，”陈王说，“它打开了工程更复杂的量子计算硬件的大门。”

该研究的资助方包括美国能源部、陆军研究办公室、西蒙斯基金会、空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和物理科学实验室量子比特合作实验室。