量子处理器以更少的布线实现满性能

量子计算中的布线问题

构建一个实用的量子计算机需要将数百或数千个qubit连接到管理它们的控制电子设备。常规超导量子处理器中的每个qubit都需要自己的microwave控制线和读出连接集，从室温电子设备通过精心设计的cryogenic阶段一直延伸到在接近绝对零度运行的处理器。随着qubit数量的增加，这种布线需求威胁要使量子计算机在物理上变得无法管理，远在它们达到超过经典系统所需的实际优势规模之前。

一个研究团队现在已证明超导量子处理器可以用大幅较少的物理连接来维持完整的计算性能，使用一种跨共享布线通道复用控制信号的方法。该演示解决了一个一直是该领域最持久的扩展挑战，指向一种布线数量增长为亚线性而非与qubit数量成正比的架构。

多路复用方法

该技术使用频分多路复用来为多个qubit的控制信号通过单条物理线路进行路由。每个qubit被分配一个不同的频带用于其控制信号，允许cryogenic硬件通过选择适当的频率而不是通过专用个别连接来寻址单个qubit。

技术挑战是在控制信号为不同qubit共享同一物理通道时维持量子gate操作的保真度——处理器执行计算的准确性。频带之间的cross-talk和频率选择硬件中的不完美可能会引入降低qubit coherence的错误。研究团队证明了这些错误源可以被控制在允许所有qubit在共享布线架构中全保真度操作的水平。

为什么这对量子扩展很重要

布线挑战不仅仅是工程上的不便。用来维持近绝对零度运行温度的cryogenic制冷系统在物理上只能容纳有限数量的布线连接通过其各个温度阶段。IBM、Google和其他量子计算领导者已公开表示这个瓶颈代表了现有硬件架构中qubit数量扩展速度的根本限制。

一种物理连接数大幅减少的多路复用布线方法将允许现有制冷硬件支持按比例更多的qubit。随着技术的成熟反复应用，这可以大幅加快量子处理器达到药物发现、材料模拟和cryptographically相关计算应用所需规模的步伐。

补充进展和前进道路

多路复用布线方法是对其他扩展技术的补充：quantum error correction、更好的qubit制造以延长coherence时间以及减少信息移动开销的新处理器架构。同时解决布线瓶颈与这些进展意味着扩展限制正从多个角度同时被攻击。

研究社区在不牺牲量子性能特征的情况下在工程障碍上取得重大进展的能力是该领域成熟度的重要指标。早期量子处理器展示了概念证明但受实用限制困扰，限制了效用。在保持量子属性的同时解决这些工程挑战是将实验室好奇心与可信路径上的技术分开的东西——这个布线突破代表了那个方向上的有意义的一步。

本文基于Phys.org的报道。阅读原始文章。