由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的科学家们改造了一种名为微波循环器的装置，用于量子计算机，使他们首次能够精确调整量子比特(量子计算的基本单位)与微波谐振腔之间的非互易性程度。精确调整非互易性程度的能力是量子信息处理中的重要工具。在此过程中，包括来自芝加哥大学的合作者在内的团队推导出一种通用且广泛适用的理论，该理论简化并扩展了对非互易性的旧理解，以便未来类似主题的研究可以利用该团队的模型，即使在使用不同的组件和平台时也是如此。这项研究最近发表在《科学进展》上。
量子计算与我们每天进行的基于比特的计算有着根本的不同。比特是一种信息，通常用 0 或 1 来表示。比特是构成我们电子世界的所有软件、网站和电子邮件的基础。
相比之下，量子计算依赖于“量子比特”，它们与普通比特类似，只是它们由量子对象的两个状态的“量子叠加”表示。处于量子状态的物质的行为非常不同，这意味着量子比特并不仅限于 0 或 1——它们可以同时为 0 或 1，这听起来像魔术，但量子力学定律却很好地定义了这一点。量子叠加的这种特性提高了量子计算机的功率。
此外，一种称为“非互易性”的属性可以为量子计算创造额外的途径，以发挥量子世界的潜力。
“想象一下两个人之间的对话，”马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学研究生、论文作者之一肖恩·范·盖尔登 (Sean van Geldern) 说道。“完全互惠是指对话中的每个人都分享了相同数量的信息。非互惠是指一个人分享的信息比另一个人少一点。”
“这在量子计算中是可取的，”马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学助理教授、资深作者陈王说，“因为在许多计算场景中，你希望提供大量数据访问权限，但又不让任何人有更改或降低数据的权力。”
为了控制非互易性，主要作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学研究生王英英和她的合著者进行了一系列模拟，以确定他们的循环器需要具有的设计和属性，以便他们改变其非互易性。然后，他们建造了循环器并进行了一系列实验，不仅是为了证明他们的概念，而且是为了准确了解他们的设备如何实现非互易性。在此过程中，他们能够将包含 16 个参数的模型修改为仅包含 6 个参数的更简单、更通用的模型。这个修订后的更通用的模型比最初的更具体的模型更有用，因为它广泛应用于一系列未来的研究工作。
该团队制造的“集成非互易装置”看起来像一个“Y”。Y 的中心是循环器，它就像是微波信号的交通环岛，用于介导量子相互作用。其中一条腿是腔端口，即承载电磁场的谐振超导腔。Y 的另一条腿容纳量子比特，印在蓝宝石芯片上。最后一条腿是输出端口。
王莹莹说：“如果我们用光子轰击超导电磁场，使其发生改变，我们就会发现量子比特会以可预测和可控的方式做出反应，这意味着我们可以精确调整我们想要的互易程度。我们制作的简化模型以这样一种方式描述了我们的系统，即可以计算外部参数来调整非互易程度。”
“这是首次将非接受性嵌入量子计算设备的演示，”陈旺说，“它为设计更复杂的量子计算硬件打开了大门。”