量子芯片架构革新：模块化可重构路由器设计

研究人员在超导量子处理器领域实现了一种全新设计，旨在为量子革命所需的大规模、耐用设备构建一种潜在的架构。

与将信息处理量子比特布局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，其核心是一个可重构的路由器作为中央集线器。这使得任意两个量子比特都能进行连接和纠缠，而在旧系统中，量子比特只能与物理上离它们最近的量子比特通信。

“量子计算机不一定在内存大小或CPU大小方面与经典计算机竞争，” 一位教授表示，“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翻倍需要两倍大的CPU或两倍的时钟速度，而将量子计算机的计算能力翻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于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意量子比特，从而实现高保真度的量子门操作以及量子纠缠的产生，而量子纠缠是量子计算和通信的基础资源。

“原则上，通过路由器连接的量子比特数量没有限制，”一位博士生表示，“如果你想获得更强的处理能力，只要它们能容纳在一定的空间内，你就可以连接更多的量子比特。”

这位博士生是一篇发表在《Physical Review X》上的新论文的第一作者，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，你有一台经典计算机，其主板集成了许多不同的组件，比如CPU或GPU、内存和其他元件，”这位博士生说，“我们的部分目标是将这一概念转移到量子领域。”

尺寸与噪声

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，必须解决两件事。

首先，它们必须扩展到足够大的尺寸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计算问题提供解决方案，例如分解巨大数字从而破解密码，”一位教授说。

其次，它们必须具有容错性，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。这里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。

“一个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。这是一种平面结构上的固态系统，”一位合著者说，“如果你能想象一个二维阵列，比如一个方形晶格，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限制。

首先，将量子比特置于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、西方向的最近邻。更高的量子比特连接性通常能在灵活性和组件开销方面实现更强大的处理器，但四邻居的限制通常被认为是由平面设计本身固有的。这意味着，对于实际的量子计算应用而言，强行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度。

最后，如果所有量子比特都制造在同一个平面基板上，那么这对制造良率构成了重大挑战，因为即使少量器件失效，整个处理器也无法工作。

“为了进行实际的量子计算，我们需要数百万甚至数十亿个量子比特，并且我们需要确保一切完美无瑕，”这位合著者说。

重新构想芯片

为了解决这些问题，该团队重新构思了量子处理器的设计。该处理器被设计为模块化的，不同的组件可以在安装到处理器主板之前进行预选。

团队的下一步工作是研究如何将量子处理器扩展到更多量子比特，寻找扩展处理器能力的新协议，并可能探索如何像超级计算机连接其组件处理器那样，连接由路由器连接的量子比特集群。

他们还在寻求扩大能够纠缠量子比特的距离。

“目前，耦合范围是中等距离，大约在毫米量级，”这位博士生说，“因此，如果我们试图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我们当前设置相结合的新途径。”

资金支持： 设备和实验得到了美国陆军研究办公室和物理科学实验室以及美国空军科学研究办公室的支持。FINISHED