2026年4月14日——随着量子比特数量的增加，控制计算机所需的电缆数量不断增长，这成为开发强大量子计算机的主要障碍。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员现已证明，多个量子比特可以共享同一条电缆，而不会显著增加计算时间。他们的研究是该领域最全面的研究之一，可能成为开发量子计算机的重要拼图。这些计算机具有彻底改变药物开发和物流等领域的潜力。

量子计算机的力量在于所谓的“量子比特”。与传统计算机“比特”只能取值为1或0不同，量子比特可以同时具有1和0的值——以及介于两者之间的任何组合状态。这意味着一台拥有20个量子比特的量子计算机可以同时表示超过100万种不同状态的组合，从而产生巨大的计算能力。

查尔姆斯理工大学应用量子物理学副教授安东·弗里斯克·科克姆表示：“全球量子技术竞赛正在如火如荼地进行，科技巨头目前以基于100多个量子比特的量子计算机领先。但要解决现实世界的社会挑战，量子计算机的规模需要进一步扩大，拥有数千个甚至更多功能良好的量子比特。”在查尔姆斯，研究人员一直在瓦伦堡量子技术中心开发瑞典最大的量子计算机。

工程挑战减缓扩展

然而，扩大量子计算机规模面临着实际挑战。对于许多类型的量子计算机来说——包括基于超导电路的量子计算机——它们必须被冷却到接近绝对零度（即-273.15°C）的温度。冷却通过围绕量子计算机的低温恒温器中的氦气实现。为了控制量子计算，信号通过电缆从系统外部的电子设备传输到内部的冷却量子比特。但这些电缆会散发热量，影响低温恒温器内部的温度，这可能导致量子比特失去继续计算的能力。

查尔姆斯量子技术研究员英格丽·斯特兰德伯格表示：“由于目前每个量子比特都需要自己的电缆，系统在温度变得过高、量子计算机停止工作之前可以容纳的量子比特数量是有限的。还存在物理限制，因为电缆占据了低温恒温器中的空间。”

智能电缆共享挑战先前的担忧

另一种相对未被探索的方法是允许多个量子比特共享同一条电缆。量子比特不是通过每条电缆并行控制，而是通过更少的电缆快速连续地顺序控制。该过程需要在量子处理器旁边安装微波开关，将每个控制信号路由到其目标量子比特——这一过程称为时域复用。

然而，该方法涉及一个假定的权衡。如果量子比特必须“等待”轮到它们接收信号，计算可能会花费更长时间。为了研究这种延迟的实际影响，研究人员测试了当控制电缆数量减少时，不同类型的量子处理器会受到怎样的影响。结果出人意料地积极。

该研究的主要作者、查尔姆斯量子技术博士生马文·里希特解释道：“我们可以看到，对于许多常见的量子算法，电缆数量可以大幅减少，而计算速度不会显著变慢或运行时间不会大幅增加。在某些情况下，比如连接两个量子比特的门，甚至可以共享电缆而无需任何额外时间成本，仅受量子比特互连方式的限制。”

迈向大规模量子计算机的重要一步

查尔姆斯研究人员的计算机模拟和数学分析是该领域最全面的研究。结果中一个特别重要的结论是，当单个量子比特共享电缆时，计算时间呈对数增长，而非线性增长。

该研究的合著者、查尔姆斯量子技术副教授西蒙娜·加斯帕里内蒂表示：“这种增长速度比之前担心的要慢。允许多个量子比特共享电缆可能是迈向大规模量子计算机的重要一步。这些结果为我们开发必要的快速、低耗散微波开关以实现该方法提供了更强的动力。”