2026年9月3日——麻省理工学院（MIT）的研究人员设计出一种新的量子比特架构，使量子比特之间能够以更快的速度相互作用，同时保持高度稳定。这一进展有朝一日可能帮助科学家构建实用的量子计算机，以高精度运行冗长、复杂的算法。

量子比特是量子计算机的构建模块，通常只用于存储数据，并依赖其他电子器件来执行操作和通信。但量子比特非常脆弱且容易出错，科学家很难在量子比特丢失信息并需要重置之前连接足够多的量子比特。

MIT团队设计了一种具有两个独立部分的双用途量子比特：一个用于存储数据的组件和一个用于与其他量子比特及电子器件交互的组件。这种设计提高了量子比特的可靠性，使其能够以更低的错误率运行，从而在同一时间段内执行更多计算。

他们的模拟结果表明，这种新的量子比特架构可以实现比现有设计显著更快、保真度更高的操作。

尽管这项研究仍处于早期阶段，但它有望帮助科学家构建大规模、实用的量子计算机，从而解决传统超级计算机难以应对的现实问题。

“这项工作感觉像迈出了一大步。这是一种新架构，展示了这些系统可以被工程化到何种程度。我们将两个想法结合在一起，以帮助我们实现所追求的这种量子比特协同设计，创造出一种相当罕见的组合，满足了进行量子纠错所需的条件。”Alec Yen表示。他于今年春天获得电气工程与计算机科学（EECS）博士学位，并且是一篇描述该新架构论文的合著者。

双用途量子比特

就像经典计算机中的比特一样，量子比特也存储信息。但与经典比特不同，量子比特的寿命非常短，当科学家将它们连接起来构建量子计算机时，它们很快就会崩溃。

这种退化被称为退相干，它会在计算中引入误差，这些误差迅速累积，使长计算在完成之前就偏离正轨。

“做这一切的目标是构建一台容错量子计算机，能够在错误发生时进行纠正，这样你就可以进行长期计算，并真正用量子计算机做有用的事情。”O'Brien解释说。

为了提高量子比特的可靠性，MIT研究人员开发了一种新设计，包含两个独立但相互连接的组件：一个用于存储数据，另一个用于与量子电路中的所有其他部分交互。

这个交互组件就像一只伸向系统其他部分的手臂，因此研究人员将这种设计称为“手臂量子比特”（arm qubit）。

“它针对这两个双重目的进行了工程设计——由数据模式和手臂模式共同完成——当你试图进行量子纠错时，这两个目标非常重要。”Yen说。

从本质上讲，他们的设计结合了两种不同类型的量子比特。为了构建数据模式，他们使用了一种已知具有很长寿命（即相干时间）的流行量子比特设计。

手臂模式则采用了一种不同的设计，该设计与其他组件（如谐振器）表现出非常强的相互作用。谐振器是一种电子元件，用于读取量子计算结果。读取是将量子系统的状态测量出来并转换为经典值的过程。

这种新架构的关键是研究人员先前开发的一种特殊耦合单元，他们用它来连接数据模式和手臂模式。

更强的耦合

通常，将模式耦合在一起可能会引起它们之间不必要的相互作用，随着更多量子比特连接到系统，这种相互作用会不断累积。

避免这种混合的一种方法是使用称为非线性耦合的技术，即两个组件以这样一种方式连接：改变其中一个的状态会导致另一个相应地改变。非线性耦合对于运行大多数量子算法至关重要。

研究人员使用的这种特殊装置被称为quarton耦合器，它能够在数据模式和手臂模式之间实现非常强的非线性耦合，从而显著减少不必要的混合。这种耦合使量子比特能够在退相干之前更快地执行操作。

“通过将‘手臂’组件专门用于耦合，我们能够做出一种可扩展、对制造误差具有鲁棒性，并且仍然使用quarton耦合器来实现强非线性耦合的设计。”Kline说。

当他们在模拟中测试该设计时，手臂量子比特在相干时间、操作速度和读取速度方面均达到最先进水平，优于其他超导量子比特架构。

这种新架构的速度和可靠性可能会加速量子纠错，而量子纠错是使量子计算机走向实用的重要一步。

接下来，研究人员计划致力于制造手臂量子比特，以便进一步研究其特性和能力，并将其集成到真实的量子系统中。

“这项工作让我充满期待，因为我们的模拟结果非常有前景。接下来，我们需要看看能否制造出它，并确定我们在建模或设计中是否遗漏了什么。如果我们能制造出这种量子比特，它可能成为未来纠错量子计算机的构建模块。”O'Brien说。