近日，南方科技大学（以下简称南科大）深圳量子科学与工程研究院超导量子计算团队在分布式量子计算研究方面取得突破性进展。他们提出并实现了超低损耗的量子芯片互联技术，将芯片间量子态传输的保真度提高到单芯片水平（99%），研究团队实现了5个量子芯片的互联，并展示了跨3个芯片的12比特最大纠缠态，奠定了大规模、可扩展分布式量子计算网络的坚实基础。
2月16日，相关研究成果于以《模块化超导量子处理器的低损耗互连》（Low-loss interconnects for modular superconducting quantum processors）为题发表在国际学术期刊《自然—电子学》（Nature Electronics）上。
“5个量子芯片的互联”示意图图片来源：Nature Electronics
近年来，超导量子计算发展迅速，可操作量子比特数目有望在未来几年扩展到数千个以上，并在此基础上探索含噪中等规模量子器件（NISQ）的实际应用。然而，超导量子比特尺寸较大，且每个比特需要专用射频控制线路，因此随着比特数量的增加，在单芯片上集成更多比特变得越来越困难。分布式量子计算的方案，通过把多个量子芯片互联的方式构建大规模量子处理器，可望突破单芯片集成的困境，但目前芯片间的高性能互联是个技术瓶颈。
在本研究中，研究团队经过近2年的技术攻坚，实现了一系列技术创新：研发了超低损耗且易于键合连接的超导同轴线，并在量子芯片上集成了阻抗转换器以降低量子芯片连接界面的损耗。通过这些技术创新，团队实现了超高性能的超导量子芯片互联，信道单光子品质因子达到8.1×105，较之前报道的结果提高了一个数量级，信道相干时间（~26.4us）达到单芯片上量子比特的水平。在此基础上，团队实现跨芯片量子态传输的保真度达到99%，该项指标国际领先，为超导量子处理器的大规模扩展奠定了基础。
利用该低损耗芯片互联技术，研究团队实现了5个量子芯片的互联，其中每个芯片上集成4个量子比特，构成一个20比特的分布式量子处理器。基于该分布式量子处理器，研究团队展示了跨芯片多比特纠缠态的制备，实现了跨芯片分布的4比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 纠缠态，其保真度达到92%，达到单芯片上制备同类多比特纠缠态的水平，这是分布式超导量子处理器第一次在量子纠缠态制备上达到单芯片的性能，具有里程碑意义。
分布式超导量子处理器图片来源：Nature Electronics
最终，通过更多的跨芯片量子态传输和单芯片上的逻辑门操作，研究团队实现了跨三个芯片的12比特的最大纠缠态，该GHZ态保真度达到55.8%。
在该研究成果中，南科大量子科学与工程研究院助理研究员牛晶晶为论文第一作者，副研究员刘松和钟有鹏为通讯作者。南科大是论文第一单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等部门的大力支持。（来源：中国科学报 赵广立）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41928-023-00925-z
