芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究团队实现了一种全新的超导量子处理器设计，旨在为量子革命所需的大规模、耐用型设备提供一种潜在的架构方案。
与将信息处理量子比特布置在二维网格上的典型量子芯片设计不同，该团队设计了一种模块化量子处理器，其中包含一个作为中心枢纽的可重构路由器。这使得任意两个量子比特都能连接并纠缠，而在旧系统中，量子比特只能与物理上最相邻的量子比特通信。
"量子计算机不一定在内存大小或CPU大小等方面与经典计算机竞争，"UChicago PME 的 Andrew Cleland 教授说。"相反，它们利用了一种根本不同的扩展方式：将经典计算机的计算能力提高一倍，需要两倍大的CPU或两倍的时钟速度。而将量子计算机的能力提高一倍，只需要增加一个量子比特。"
受经典计算机的启发，该设计将量子比特集群围绕在一个中央路由器周围，类似于个人电脑通过中央网络集线器相互通信。量子"开关"可以在几纳秒内连接或断开任何量子比特，从而实现高保真度的量子门操作以及量子纠缠的产生，这是量子计算和通信的基本资源。
"原则上，通过路由器连接的量子比特数量没有限制，"UChicago PME 博士生 Xuntao Wu 说。"如果需要更强的处理能力，可以连接更多量子比特，只要它们能容纳在一定的空间内。"
Wu 是发表在《Physical Review X》上的一篇新论文的第一作者，该论文描述了这种连接超导量子比特的新方法。研究人员的这款新型量子芯片具有灵活性、可扩展性，并且像手机和笔记本电脑中的芯片一样模块化。
"想象一下，一台经典计算机的主板上集成了许多不同的组件，比如CPU、GPU、内存和其他元件，"Wu 说。"我们的部分目标就是将此概念移植到量子领域。"
规模与噪声
量子计算机是高度先进但精密的设备，有潜力改变电信、医疗保健、清洁能源和密码学等领域。在量子计算机能够充分发挥潜力解决这些全球性问题之前，必须实现两件事。
首先，它们必须扩展到足够大的规模，并具备灵活的操作性。
"这种扩展可以为经典计算机根本无法解决的复杂计算问题提供解决方案，例如分解大数和破解加密代码，"Cleland 说。
其次，它们必须具有容错能力，能够以极少的错误执行大规模计算，理想情况下超越当前最先进经典计算机的处理能力。此处正在开发的超导量子比特平台，是构建量子计算机的一种有前景的方法。
"典型的超导处理器芯片是方形的，所有量子比特都制造在上面。这是一个平面结构上的固态系统，"合著者 Haoxiong Yan 说，他已于春季从 UChicago PME 毕业，现在某机构担任量子工程师。"可以想象一个二维阵列，就像一个方形晶格，这就是典型超导量子处理器的拓扑结构。"
典型设计的局限性
这种典型设计导致了几个局限性。
首先，将量子比特放在网格上意味着每个量子比特最多只能与四个其他量子比特交互——即其北、南、东、西方向的直接邻居。就灵活性和组件开销而言，更高的量子比特连通性通常意味着更强大的处理器，但四邻居限制通常被认为是平面设计所固有的。这意味着对于实用的量子计算应用，用蛮力法扩展设备可能会导致不切实际的资源需求。
其次，最近邻连接反过来会限制可实现的量子动力学类型以及处理器能够执行的并行程度。
最后，如果所有量子比特都制造在同一个平面衬底上，那么这对制造良率构成了重大挑战，因为即使少数几个器件失效，也可能导致整个处理器无法工作。
"要进行实用的量子计算，需要数百万甚至数十亿个量子比特，并且必须完美地制造所有东西，"Yan 说。
重新构想芯片
为了解决这些问题，该团队重新设计了量子处理器。该处理器被设计为模块化的，不同的组件可以先被预选，然后再安装到处理器主板上。
该团队的下一步是研究将量子处理器扩展到更多量子比特的方法，寻找扩展处理器能力的新协议，并可能找到连接由路由器连接的量子比特集群的方法，就像超级计算机连接其组件处理器一样。
他们也在寻求扩展能够纠缠量子比特的距离。
"目前，耦合范围属于中程，大约在毫米量级，"Wu 说。"因此，如果想寻找连接远程量子比特的方法，就必须探索将其他类型技术与当前设置集成的新途径。"
资助： 设备和实验得到了某机构（ARO Grant No. W911NF2310077）和某机构（AFOSR Grant No. FA9550-20-1-0270）的支持。FINISHED
