DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-02811-1
تاريخ النشر: 2025-03-21
المؤلف: Aziza Almanakly وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تقدم البحث موصل كمي حلزوني جديد مصمم لتعزيز توزيع التشابك بين المعالجات الكمية الفائقة التوصيل غير المحلية باستخدام فوتونات الميكروويف. من خلال استخدام التداخل الكمي، يحقق المؤلفون انبعاث وامتصاص فوتونات عند الطلب في اتجاه محدد، مما يحسن العملية من خلال التعلم المعزز بدون نموذج لزيادة كفاءة الامتصاص. يولد الموصل بنجاح تشابكًا بعيدًا في شكل حالة W رباعية الكيوبت، محققًا موثوقيات تبلغ 62.4% و62.1% لانتشار الفوتونات نحو اليسار واليمين، على التوالي، مع كون القيد الرئيسي هو فقدان الانتشار.
يدعم الهيكل المقترح الاتصال الشامل بين عدة وحدات، مما يسهل الاستكشافات المتقدمة في فيزياء الأجسام المتعددة والمحاكاة الكمية. يبرز الدراسة الإمكانية لتحقيق تشابك بعيد عالي الموثوقية ومستقل عن المسافة، وهو أمر حاسم لخطط الاتصال القوية في الحوسبة الكمية. يناقش المؤلفون أيضًا الإعداد التجريبي، بما في ذلك استخدام ثلاجة تخفيف Bluefors XLD1000 وتقنيات التصفية والتضخيم المختلفة لتقليل الضوضاء الحرارية وتعزيز سلامة الإشارة. تهدف الأعمال المستقبلية إلى تطوير موصلات منخفضة الفقد يمكن أن تربط العديد من الوحدات عبر موجة واحدة، مما يمهد الطريق لأنظمة الحوسبة الكمية الموزعة القابلة للتوسع.
مقدمة
ت outlines المقدمة أهمية الموصلات الكمية في تطوير شبكات الحوسبة الكمية القابلة للتوسع. تسهل هذه الموصلات نقل المعلومات الكمية بين عقد المعالجة غير المحلية، باستخدام تطبيقات تجريبية متنوعة مثل انتشار الفوتونات الضوئية والتواصل بفوتونات الميكروويف في الأنظمة الفائقة التوصيل. يبرز النص قيود مخططات الموصلات الحالية، التي غالبًا ما تكون مقيدة بالاتصال ومعدلات الخطأ، ويقدم أنظمة الديناميكا الكمية الكهربية عبر الموجات (wQED) كبديل واعد. تمكن هذه الأنظمة من الاقتران القوي بين الكيوبتات الفائقة التوصيل واستمرارية فوتونية، محققة كفاءات اقتران تتجاوز 99%.
تناقش القسم أيضًا مفهوم الاقتران الحلزوني في wQED، حيث تتفاعل الكيوبتات بشكل تفضيلي مع اتجاه واحد من انتشار الفوتونات، مما يؤدي إلى انبعاث فوتون فردي اتجاهي وزيادة قدرات التشابك. يقدم المؤلفون إعدادًا تجريبيًا يستخدم اقتران الكيوبت-الموجة الحلزوني القابل للتعديل لإنشاء موصل كمي بين وحدتين فائقتي التوصيل. يسمح هذا الإعداد بالانبعاث والامتصاص الاتجاهي للفوتونات، مما يسهل الاتصال عبر مسافات عشوائية، مقيد فقط بخسائر الموجة. تعمل تنفيذ خوارزمية التعلم المعزز بدون نموذج على تحسين بروتوكولات انبعاث وامتصاص الفوتونات، مما يؤدي إلى إنشاء ناجح لحالات W رباعية الكيوبت متشابكة عن بُعد مع موثوقيات تبلغ 62.4% و62.1% لانتشار الفوتونات نحو اليسار واليمين، على التوالي، متجاوزة العتبة اللازمة لبروتوكولات التنقية اللاحقة.
نقاش
في هذا القسم، يناقش البحث بروتوكول انبعاث وامتصاص حلزوني باستخدام كيوبتات الموجة القابلة للتعديل بتردد. يتكون كل وحدة من كيوبتين متصلتين بموجة مشتركة، مما يسهل انبعاث وامتصاص الفوتونات الاتجاهية من خلال التداخل الكمي. تكشف معادلات الإدخال والإخراج أن تهيئة الكيوبتات في حالات متشابكة معينة تؤدي إلى انبعاث فوتونات في اتجاهات محددة، مع إظهار النظام لحد أقصى من سكان الكيوبتات البيانات يبلغ حوالي 63-64% أثناء الامتصاص. يبرز الدراسة أهمية التخفيف من التدهور الناتج عن التفاعل وتحسين حالات الكيوبتات لتعزيز موثوقية الفوتونات المنبعثة والممتصة.
تشير النتائج إلى أن الموصل الكمي الحلزوني يعمل بشكل مستقل عن المسافة بين الوحدات، وهو أمر حاسم لشبكات الكم القابلة للتوسع. تتأثر كفاءة البروتوكول بالخسائر المتماسكة وغير المتماسكة، حيث تُعزى الأخيرة بشكل أساسي إلى فقدان الانتشار وتدهور الكيوبت. يقترح المؤلفون أن التحسينات في تصميم الكيوبت واستخدام الموجات الفائقة التوصيل قد تزيد من كفاءات الامتصاص إلى ما يتجاوز 90%. بالإضافة إلى ذلك، يولد البروتوكول بنجاح حالات متشابكة عن بُعد، محققًا مستويات موثوقية تتجاوز العتبة اللازمة لتنقية التشابك، مما يظهر الإمكانية للاتصال الواسع بين الكيوبتات في تطبيقات الحوسبة الكمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-02811-1
Publication Date: 2025-03-21
Author(s): Aziza Almanakly et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
The research presents a novel chiral quantum interconnect designed to enhance entanglement distribution between non-local superconducting quantum processors using microwave photons. By employing quantum interference, the authors achieve on-demand emission and absorption of photons in a specified direction, optimizing the process through model-free reinforcement learning to maximize absorption efficiency. The interconnect successfully generates remote entanglement in the form of a four-qubit W state, achieving fidelities of 62.4% and 62.1% for leftward and rightward photon propagation, respectively, with the primary limitation being propagation loss.
The proposed architecture supports all-to-all connectivity among multiple modules, facilitating advanced explorations in many-body physics and quantum simulation. The study highlights the potential for high-fidelity, distance-independent remote entanglement, which is crucial for robust communication schemes in quantum computing. The authors also discuss the experimental setup, including the use of a Bluefors XLD1000 dilution refrigerator and various filtering and amplification techniques to minimize thermal noise and enhance signal integrity. Future work aims to develop low-loss interconnects that could connect numerous modules via a single waveguide, paving the way for scalable distributed quantum computing systems.
Introduction
The introduction outlines the significance of quantum interconnects in the development of scalable quantum computing networks. These interconnects facilitate the transmission of quantum information between non-local processing nodes, utilizing various experimental implementations such as optical-photon propagation and microwave photon communication in superconducting systems. The text highlights the limitations of existing interconnect schemes, which are often constrained by connectivity and error rates, and introduces waveguide quantum-electrodynamical (wQED) systems as a promising alternative. These systems enable strong coupling between superconducting qubits and a photonic continuum, achieving coupling efficiencies exceeding 99%.
The section further discusses the concept of chiral coupling in wQED, where qubits interact preferentially with one direction of photon propagation, leading to directional single-photon emission and enhanced entanglement capabilities. The authors present an experimental setup that employs tunable chiral qubit-waveguide coupling to establish a quantum interconnect between two superconducting modules. This setup allows for the directional emission and absorption of photons, facilitating communication across arbitrary distances, limited only by waveguide losses. The implementation of a model-free reinforcement learning algorithm optimizes the photon emission and absorption protocols, resulting in the successful creation of remotely entangled four-qubit W states with fidelities of 62.4% and 62.1% for leftward and rightward photon propagation, respectively, surpassing the threshold necessary for subsequent purification protocols.
Discussion
In this section, the research discusses a chiral emission and absorption protocol utilizing frequency-tunable transmon waveguide qubits. Each module comprises two qubits that are coupled to a common waveguide, facilitating directional photon emission and absorption through quantum interference. The input-output equations reveal that initializing the qubits in specific entangled states leads to the emission of photons in designated directions, with the system demonstrating a maximum data qubit population of approximately 63-64% during absorption. The study highlights the importance of mitigating interaction-induced decoherence and optimizing the qubit states to enhance the fidelity of the emitted and absorbed photons.
The findings indicate that the chiral quantum interconnect operates independently of the distance between modules, which is crucial for scalable quantum networks. The protocol’s efficiency is affected by coherent and incoherent losses, with the latter primarily attributed to propagation and qubit decoherence. The authors propose that improvements in qubit design and the use of superconducting waveguides could potentially increase absorption efficiencies beyond 90%. Additionally, the protocol successfully generates remote entangled states, achieving fidelity levels above the threshold necessary for entanglement purification, thus demonstrating the potential for extensive qubit interconnectivity in quantum computing applications.