（來源：MIT Technology Review）
量子計算機，被譽為下一代計算技術的革命，它利用量子力學特有的疊加態和糾纏態，理論上可以在幾秒內完成傳統超級計算機需要數千年才能解決的問題。其有可能徹底改變材料科學和人工智慧等領域，或模擬複雜材料、或加速機器學習模型，使其遠遠超出當今的能力。
但這些應用只有在量子計算機能夠極快地執行運算的情況下才有可能，這樣科學家才能在複合錯誤率降低其準確性和可靠性之前進行測量和修正。這種測量過程（稱為“讀出”）的效率取決於光子（攜帶量子資訊的光粒子）與人造原子（儲存這些資訊的量子元件）之間的耦合強度。
近日，麻省理工學院的研究人員透過超導電路中的石英耦合器實現了強非線性光物質耦合，展現了量子計算領域的重大進展。這一突破利用一種新型裝置增強了量子位元與光子之間的相互作用，有望實現前所未有的量子運算和讀出速度——比以往方法快 10 倍。增強的耦合強度對於克服量子計算目前的侷限性至關重要，為實現能夠進行可靠大規模計算的容錯系統鋪平了道路。
儘管該架構距離實際應用仍有距離，但論文第一作者 Yufeng Ye 指出，“這一基礎物理原理的驗證是關鍵突破，這將真正消除量子計算的瓶頸。傳統方案必須在糾錯環節間暫停運算以測量結果，而我們的技術能加速實現容錯量子計算，讓量子計算機真正產出實際應用價值。”
相關文章以題為“Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits”發表在 Nature Communications 期刊。
與他共同撰寫該論文的還有 Kevin O'Brien。他是麻省理工學院電子研究實驗室 (RLE) 的副教授兼首席研究員，領導著電子工程與計算機科學系 (EECS) 量子相干電子學小組。
新型耦合器
這次物理演示建立在 Kevin 團隊多年的理論研究基礎之上。Ye 於 2019 年以博士生身份加入實驗室後，開始開發專門的光子探測器以增強量子資訊處理。
透過這項工作，他發明了一種新型量子耦合器，這是一種促進量子位元之間相互作用的裝置。這種所謂的量子耦合器在量子操作和讀出方面有著眾多潛在應用，因此很快成為實驗室的研究重點。
量子位元是量子計算機的基石。與傳統計算機的位元不同，量子位元對外界環境干擾極其敏感。微小的溫度波動、電磁噪聲，甚至是測量行為本身，都會破壞量子位元的量子態，導致"退相干"（decoherence）現象。這種退相干直接造成量子計算過程中的高錯誤率，也大大限制了量子計算機的實用化程序。
這種新型量子耦合器被設計為超導電路中的專用裝置，用於增強量子位元之間的相互作用。該耦合器能夠實現強非線性光物質耦合，這是高效執行大多數量子演算法的關鍵因素。透過增加流經耦合器的電流，研究人員實現了更穩健的非線性相互作用，這對於提升量子處理能力至關重要。
“量子計算中大多數有用的相互作用都來自光與物質的非線性耦合。如果能夠獲得更多樣化的不同型別的耦合，並提高耦合強度，那麼就能從根本上提高量子計算機的處理速度。”Ye 表示。
對於量子讀出，研究人員將微波光照射到量子位元上，然後根據該量子位元處於狀態 0 還是 1，其相關的讀出諧振器上會發生頻率偏移。他們測量這種偏移來確定量子位元的狀態。量子位元和諧振器之間的非線性光物質耦合使得這一測量過程成為可能。
在讀出方案中，研究團隊將石英耦合器連線晶片上的兩個超導量子位元，其中一個用作諧振器，另一個儲存量子資訊。這種裝置能夠透過微波光高效傳輸量子態，顯著加快讀出過程。這些改進至關重要，因為它們允許在量子位元有限的相干時間內進行更多輪糾錯，從而減少整體計算誤差，提高量子系統的可靠性。
“這些超導人造原子與傳輸訊號的微波光之間的相互作用基本上就是整個超導量子計算機的構建方式，”Ye 解釋道。
實現更快地讀出
石英耦合器顯著改善了超導量子位元與微波光之間的相互作用，從而加快了量子系統中的讀出過程。透過連線晶片上的兩個量子位元，該耦合器增強了量子態透過光子的傳輸，與之前的架構相比，縮短了讀出時間。
這一進步對於維護量子計算的完整性尤為重要，因為更短的讀出時間可以在量子位元有限的相干時間內實現更高效的糾錯。耦合器在增強相互作用方面的作用可以降低錯誤率，從而支援可擴充套件的量子系統。
“這項工作並不是故事的結束。這是基礎物理演示，但團隊目前正在進行工作，以實現真正快速地讀出。”Kevin 表示。
這將涉及新增額外的電子元件，例如過濾器，以產生可以併入更大的量子系統的讀出電路。
研究人員還演示了極強的物質-物質耦合，這是另一種對量子操作至關重要的量子位元相互作用。這也是他們計劃在未來研究中探索的另一個領域。
快速操作和讀出對於量子計算機尤其重要，因為量子位具有有限的壽命。而更強的非線性耦合使量子處理器執行速度更快、誤差更低，因此量子位元可以在相同的時間內執行更多操作。這意味著量子位元在其生命週期內可以進行更多輪糾錯。“進行的錯誤校正次數越多，結果中的錯誤就越少。”
從長遠來看，這項工作可以幫助科學家構建容錯量子計算機，這對於實用的大規模量子計算至關重要。
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-advance-toward-fault-tolerant-quantum-computer-0430