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量子计算机可以执行世界上最强大的超级计算机上也难以执行的任务 。 未来 ， 科学家预计将使用量子计算来模拟材料系统、模拟量子化学和优化艰巨任务 ， 其影响将涵盖所有的 ， 可以想象到的领域 。 然而 ， 实现这一承诺需要弹性和可扩展的硬件 。 构建大规模量子计算机的一个挑战是 ， 科学家们必须找到一种有效的方法 ， 将量子信息节点互连成更小规模的处理节点 ， 这些处理节点通过计算机芯片分离 。 由于量子计算机与经典计算机有本质上的不同 ， 用于传递电子信息的传统技术不能直接转化为量子设备 。 然而 ， 有一个要求是肯定的：无论是通过经典互连还是量子互连 ， 携带的信息都必须被传输和接收 。
为此 ， 美国的科学家开发了一种量子计算架构 ， 该架构将实现超导量子处理器之间的可扩展、高保真通信 。 科学家们展示了第一步 ， 即单光子信息载体在用户指定方向上的确定性发射 。 他们的方法确保量子信息在96%以上的时间里都能正确地流向 。 将这些模块中的几个模块连接起来 ， 可以形成一个更大的量子处理器网络 ， 无论它们在计算机芯片上的物理分离如何 ， 都可以相互连接 。 “量子互连是实现由较小的单个组件构建的大型机器模块化的关键一步 。 ”科学家们补充道：“较小子系统之间的通信能力将为量子处理器提供模块化架构 ， 与使用单个大型复杂芯片的暴力方法相比 ， 这是一种更简单的扩展到更大系统规模的方法 。 ”
在传统的经典计算机中 ， 各种组件执行不同的功能 ， 例如存储器、计算等 。 电子信息被编码并存储为位（取值为1或0） ， 通过互连在这些组件之间穿梭 ， 互连是在计算机处理器上移动电子的导线 。 但量子信息更为复杂 ， 量子信息也可以同时为0和1（一种称为叠加的现象） ， 而不是只保持0或1的值 。 此外 ， 量子信息可以由称为光子的光粒子携带 。 这些增加的复杂性使得量子信息变得脆弱 ， 并且不能简单地使用传统协议来传输 。 一个量子网络使用光子来连接处理节点 ， 光子通过被称为波导的特殊互连 。 波导可以是单向的 ， 只向左或向右移动光子 ， 也可以是双向的 。
大多数现有架构使用单向波导 ， 由于光子传播的方向很容易确定 ， 因此更容易实现 。 但由于每个波导只在一个方向上移动光子 ， 随着量子网络的扩展 ， 需要更多的波导 ， 这使得这种方法难以规模化 。 此外 ， 单向波导通常包含额外的组件来加强方向性 ， 这会导致通信错误 。 “如果我们有一个可以支持左右方向传播的波导 ， 并且可以随意选择方向 ， 我们就可以消除这些有损分量 。 这种‘定向传输’就是我们所展示的 ， 它是朝着更高可信度的双向通信迈出的第一步 。 ”科学家们解释说 。
使用新的架构 ， 多个处理模块可以沿着一个波导串起来 。 他说 ， 该架构设计的一个显著特点是 ， 同一模块既可以用作发射器 ， 也可以用作接收器 。 光子可以被任意两个模块沿着公共波导发送和捕获 。 “我们只有一个物理连接 ， 沿途可以有任何数量的模块 ， 这就是它可扩展的原因 。 在演示了一个模块的定向光子发射后 ， 我们现在正在努力在第二个模块下游捕获光子 。 ”科学家们补充道 。
为了实现这一点科学家们构建了一个由四个量子比特组成的模块 。 量子比特是量子计算机的组成部分 ， 用于存储和处理量子信息 。 但量子比特也可以用作光子发射器 。 向量子位添加能量会导致量子位被激发 ， 然后当它去激发时 ， 量子位将以光子的形式发射能量 。 然而 ， 简单地将一个量子位连接到波导并不能确保方向性 。 单个量子位发射光子 ， 但它是向左传播还是向右传播是完全随机的 。 为了解决这个问题 ， 科学家们利用两个量子比特和一种被称为量子干涉的特性来确保发射的光子以正确的方向传播 。
这项技术包括在称为贝尔态的单激发纠缠态中制备两个量子比特 。 这种量子力学状态包括两个方面：左量子比特和右量子比特都会被激发 。 这两个方面同时存在 ， 但在给定时间激发哪个量子位是未知的 。 当量子比特处于这种纠缠贝尔态时 ， 光子在两个量子比特位置同时有效地发射到波导 ， 这两个“发射路径”相互干扰 。 根据贝尔态内的相对相位 ， 产生的光子发射必须向左或向右移动 。 通过准备具有正确相位的贝尔态 ， 科学家们选择了光子通过波导的方向 。
