如果無法讀取輸出結果，那麼功能強大的計算機又有什麼用呢？或者無法隨時重新編程來完成不同的工作？設計量子計算機的人面臨著這些挑戰，而一種新設備可能會讓這些問題變得更容易解決。

該設備由美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家團隊推出，包括兩個超導量子比特（或稱量子比特），量子比特是量子計算機與經典計算機處理芯片中邏輯比特的類似物。這種新策略的核心依賴於一個”撥動開關”裝置，它將量子比特連接到一個名為”讀出諧振器”的電路上，該電路可以讀出量子比特的計算輸出。

撥動開關裝置

這個撥動開關可以切換到不同的狀態，以調整量子比特與讀出諧振器之間的連接強度。當開關關閉時，所有三個元件相互隔離。當開關被打開以連接兩個量子比特時，它們就可以相互作用並進行計算。計算完成後，切換開關可以連接任一量子比特和讀出諧振器，以檢索結果。

量子計算機電路中的一個常見問題是，量子比特難以進行計算並清楚地顯示計算結果。

這張照片顯示的是器件的中央工作區。在下部，三個大矩形（淺藍色）分別代表左右兩個量子比特或量子位，以及中間的諧振器。在放大的上部剖面圖中，微波通過天線（底部深藍色大矩形）時，會在SQUID 環形（中間較小的白色正方形，邊長約20 微米）中產生磁場。磁場激活了撥動開關。微波的頻率和幅度決定了開關的位置以及量子比特和諧振器之間的連接強度。資料來源：R. Simmonds / NIST

提高性能和保真度

本文作者之一、NIST 物理學家雷-西蒙茲（Ray Simmonds）說：”我們的目標是讓量子比特保持愉悅，這樣它們就能心無旁騖地進行計算，同時還能在我們想要的時候讀出它們。這種設備架構有助於保護量子比特，並有望提高我們進行高保真測量的能力，而高保真測量是用量子比特構建量子信息處理器所必需的。”

該團隊還包括來自馬薩諸塞大學洛厄爾分校、科羅拉多大學博爾德分校和雷神BBN 技術公司的科學家，他們在最近發表於《自然-物理》雜誌的一篇論文中介紹了自己的研究成果。

量子計算： 現狀與挑戰

量子計算機目前仍處於發展的初級階段，它將利用量子力學的奇異特性來完成即使是最強大的經典計算機也難以完成的工作，例如通過對化學相互作用進行複雜的模擬來幫助開發新藥物。

然而，量子計算機設計人員仍然面臨許多問題。其中一個問題是，量子電路會受到外部甚至內部噪聲的影響，這些噪聲來自於製造計算機的材料缺陷。這種噪聲本質上是一種隨機行為，會在量子比特計算中產生誤差。

量子計算中的噪聲問題

當今的量子比特本身就存在噪聲，但這並不是唯一的問題。許多量子計算機設計都採用所謂的靜態架構，即處理器中的每個量子比特都與相鄰的量子比特及其讀出諧振器物理連接。將量子比特連接在一起並與其讀出器相連的人造線路會使它們受到更多噪聲的影響。

這種靜態架構還有另一個缺點： 它們不容易重新編程。靜態架構的量子比特可以完成一些相關的工作，但要讓計算機執行更廣泛的任務，就需要更換不同的處理器設計，採用不同的量子比特組織或佈局。(想像一下，每當需要使用不同的軟件時，就需要更換筆記本電腦中的芯片，再考慮到芯片需要保持在絕對零度以上一丁點，你就會明白為什麼這會帶來不便）。

可編程撥動開關解決方案

該團隊的可編程撥動開關避免了上述兩個問題。首先，它可以防止電路噪聲通過讀出諧振器悄悄進入系統，並防止量子比特在本應安靜的時候相互對話，這減少了量子計算機中的一個關鍵噪聲源。

其次，元件之間開關的打開和關閉是由一列從遠處發送的微波脈衝控制的，而不是通過靜態結構的物理連接。集成更多這種撥動開關可以成為更容易編程的量子計算機的基礎。微波脈衝還可以設定邏輯運算的順序和序列，這意味著使用該團隊的許多撥動開關構建的芯片可以被指示執行任意數量的任務。

“這使得芯片可以編程，”西蒙茲說。”芯片上沒有完全固定的架構，而是可以通過軟件進行更改。”

其他優勢和未來發展方向

最後一個好處是，撥動開關還可以同時開啟對兩個量子比特的測量。這種要求兩個量子比特作為一對顯示自己的能力，對於追踪量子計算錯誤非常重要。

這次演示中的量子比特以及撥動開關和讀出電路都是由超導元件製成的，這些元件導電時沒有電阻，而且必須在非常低的溫度下工作。撥動開關本身是由超導量子乾涉裝置（或稱”SQUID”）製成的，它對穿過其迴路的磁場非常敏感。在需要時，通過附近的天線環路驅動微波電流可以誘導量子比特與讀出諧振器之間的相互作用。

目前，該研究小組只使用了兩個量子比特和一個讀出諧振器，但西蒙茲說，他們正在準備一個包含三個量子比特和一個讀出諧振器的設計，併計劃增加更多的量子比特和諧振器。進一步的研究可以深入了解如何將許多這樣的設備串聯在一起，從而有可能提供一種方法來構建具有足夠量子比特的強大量子計算機，以解決目前還無法解決的各種問題。