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Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

本文展示了利用固定频率超导跨子（transmon）比特和受控 iSWAP 门实现的量子可寻址路由器（Q2-router），该路由器通过一种利用大 ZZ 相互作用实现基于量子地址的选择性信息路由协议，实现了 95.3% 的平均路由保真度。

原作者： Connie Miao, Sébastien Léger, Ziqian Li, Gideon Lee, Liang Jiang, David I. Schuster

发布于 2026-09-03

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原作者： Connie Miao, Sébastien Léger, Ziqian Li, Gideon Lee, Liang Jiang, David I. Schuster

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在现代计算领域，将信息从一个地方移动到另一个地方是一项基本任务。几十年来，工程师们一直致力于构建复杂的系统，以引导数据包通过网络，确保从一台计算机发送的消息能够到达正确的目的地而不至于丢失。这种被称为路由（routing）的过程，依赖于消息本身与其指示去向的地址之间的明确区分：在经典世界中，这两者是分离的——数据是内容，而地址是写在路由器能理解的语言中的固定标签。然而，新兴的量子计算领域引入了一个深刻的约束：量子态（即这些新机器中承载信息的实体）是无法被复制的。这一规则被称为“不可克隆定理”（no-cloning theorem），这意味着量子系统内部脆弱的信息既不能被复制，也不能同时沿着多条路径发送。因此，旧有的路由方法不再适用。为了构建未来的量子互联网或能够瞬间访问数据的量子存储器，科学家们需要一种新型路由器。这种设备必须能够读取一个“量子地址”——即一个存在于不确定性中、路径尚未确定的方向——并据此引导量子信号，且整个过程不能破坏其携带的脆弱信息。

斯坦福大学和芝加哥大学的一个研究小组成功构建并测试了这样一种设备，即一种能够以完全量子力学方式处理信号和地址的量子路由器。他们将其称为 Q2 路由器。要理解他们的成就，请想象一个交通路口，那里的交通灯本身不是固定的红灯或绿灯，而是红与绿的叠加态。在标准路口，灯光决定了流量。在这个量子版本的路口中，“灯”是一个量子比特（qubit），它可以同时处于红与绿的状态。路由器的任务是让汽车同时通过红灯和绿灯，将汽车同时送往两条道路，但要以一种保持汽车身份完整的方式进行。研究人员使用了一个包含四个超导电路的小型芯片来构建这个路由器，这些电路充当人工原子。这些电路被冷却到接近绝对零度的温度，以最大限度地减少干扰。该芯片包括一个输入量子比特（信息进入处）、两个输出量子比特（信息离开处）以及一个作为量子地址的开关量子比特。

实验的核心在于这些电路之间的一种特定相互作用。研究人员设计了芯片，使输入量子比特和开关量子比特之间具有一种强烈的、内在的连接，这种连接会根据开关的状态改变其行为。当开关处于一种状态时，它允许信息流向第一个输出；当开关处于另一种状态时，它将信息导向第二个输出。他们设计的精妙之处在于，如果开关处于两种状态的叠加态，路由器就会自然地将信息导向两个输出的叠加态。这一过程无需外部指令或在过程中更改复杂的布线。该设备使用了一种特定类型的门——受控交换门（controlled swap），它就像一个只有在开关处于正确位置时才会开启的旋转门。通过将两个这样的旋转门串联在一起，他们创建了一个完整的路由协议。团队仔细校准了用于触发这些门的微波能量脉冲，确保信息在发生退化之前快速且准确地移动。

实验结果经过了高精度测量。研究人员发现，该路由器平均约 95.3% 的时间能成功将量子信息引导至正确的目的地。这一准确度水平是一个重要的里程碑，因为它证明了该设备是确定性的，这意味着它每次运行时都能产生正确的结果，而不是依赖随机性。团队分析了导致无法达到完美准确性的误差，发现它们主要是由量子态随时间发生的自然衰减以及准备或测量过程中的微小缺陷引起的。他们证实，设备的失败并非源于路由逻辑本身的缺陷。通过使用各种经典与量子组合的输入和地址对路由器进行测试，他们展示了该设备可以处理最通用的路由形式，即消息和方向均为量子态。这种能力对于构建量子随机存取存储器（quantum random access memory）至关重要，该技术将允许量子计算机以处理数据的速度检索大型存储库中的数据，从而加速搜索和模拟等复杂算法。

研究人员还探索了该设备的极限，并指出了明确的改进路径。他们指出，目前的路由速度受限于量子比特之间的相互作用强度，若能增强这些相互作用或提高量子比特的寿命，将进一步提升性能。他们还建议增加一种检测并丢弃失败尝试的方法（即擦除方案），这可以显著提高系统的可靠性。虽然目前的设备仅是一个概念验证，但其成功表明此类路由器可以作为更大规模量子网络的构建模块。根据量子地址路由量子信息的能力，是实现功能性量子互联网的关键一步，在量子互联网中，信息可以在广阔的距离间传输和处理，并具备与当今定义经典互联网相同的灵活性与力量。这项工作将该领域从理论提议推向了切实的、可工作的组件，使量子网络的愿景离现实又近了一步。

技术摘要：基于超导量子比特的量子可寻址路由器的实现

问题陈述
路由信息是经典计算的基础，但在量子系统中由于无克隆定理（防止量子态复制）而面临独特的挑战。虽然量子态的经典路由已有实现，但这类实现通常需要外部编码路由方向（例如通过特定的脉冲序列或硬件修改），缺乏内部寻址机制。一个能够同时处理数据和路由地址作为量子力学变量的全功能量子路由器（Q2-路由器）是构建量子网络和量子随机存取存储器（QRAM）的关键组件。以往的尝试（如光子实现）依赖于非确定性的后选择（post-selection），这阻碍了其适用性。目前尚未实现完全确定性的 Q2 路由器。

方法论
作者使用一种由四个固定频率跨子（transmon）量子比特组成的超导电路架构实现了一个 Q2 路由器：一个输入量子比特、一个开关（路由）量子比特以及两个输出量子比特。该器件具有固定的电容耦合，其中输入与开关之间的耦合特别强（ $g/2\pi \sim 50$ MHz），输入与输出之间的耦合也较强。

路由协议依赖于两个原生的受控 iSWAP（c-iSWAP）门。其机制如下：

门机制： c-iSWAP 门是通过使用边带脉冲驱动输入量子比特与目标输出量子比特之间的 $|eg\rangle \to |gf\rangle$ 跃迁来实现的。选择该跃迁是因为其作为单光子过程具有速度快且简单的特点。
控制逻辑： 选择性是通过利用输入量子比特与开关量子比特之间强烈的静态 ZZ 相互作用（ $\zeta_{SI}/2\pi = 5.4$ MHz）来实现的。这种相互作用会根据开关的状态改变输入量子比特的跃迁频率。因此，只有当开关处于特定状态时（例如，对于输出 1 为 $|g\rangle$ ，对于输出 2 为 $|e\rangle$ ），边带脉冲才会与输入-输出跃迁共振，从而在开关处于相反状态时有效地阻断交换。
协议执行： 路由器执行一个幺正操作 $U_{route}$ ：如果开关处于 $|g\rangle$ 状态，则将输入态与输出 1 交换；如果开关处于 $|e\rangle$ 状态，则与输出 2 交换。如果开关处于叠加态，则输入态将被路由到输出端的叠加态中。该协议假设在一个受限的子空间内运行，即输入与输出之间最多共享一个激发。

主要贡献与表征
论文对单个门以及整个路由协议进行了全面的校准和表征：

门校准： 使用拉比振荡（Rabi oscillations）和误差放大技术对 c-iSWAP 门进行了校准。校准考虑了 AC-Stark 位移，并优化了脉冲参数（幅度、频率、持续时间），以在最大化交换保真度的同时最小化向阻塞态的泄漏。
基准测试：
- 单个门： 作者在逻辑双线子空间（ $|Seg\rangle - |Sgf\rangle$ ）上采用了交错随机基准测试（RB）来量化误差。他们区分了光子丢失（从子空间泄漏）和逻辑误差。
- 完整协议： 通过对开关和输出量子比特进行三量子比特态层析成像来评估整体路由保真度。此外，还使用了一种误差放大技术，通过应用交替的正向和反向路由协议，将门误差与状态准备及测量（SPAM）误差分离。

结果

门保真度： 在有效子空间内，估计的两个 c-iSWAP 门的保真度分别为 $97.77 \pm 0.13\%$ 和 $98.62 \pm 0.02\%$ 。识别出的主要误差源是光子丢失和退相干。
路由保真度： 在 16 种典型输入/开关配置下，全协议的平均路由保真度估计为 95.3%。
误差分析：
- 约 1.7% 的误差归因于 SPAM。
- 其余误差与通过测得的量子比特相干时间（ $T_1$ 和 $T_2$ ）进行主方程模拟得到的退相干极限一致。
- 误差放大结果表明，该协议很可能是受退相干限制的，其误差率随配置（例如，经典/量子路由以及输入）而变化。量子-量子（QrQi）配置由于影响所有量子比特的去相位效应，表现出最高的误差敏感性。
切换对比度： 误差放大测量证实了高开-关比，在阻塞状态下的非预期传输对于输出 1 约为每门 0.3%，对于输出 2 约为 0.1%。

意义与主张
作者声称实现了首个使用超导电路实现的完全确定性 Q2 路由器。该设备成功地根据量子地址路由量子信号，而无需非确定性的后选择。该实现使用了极低的开销（固定频率量子比特）并展示了高保真度，使其成为未来量子网络和 QRAM 架构的可行构建模块。

论文得出结论，尽管目前的保真度受限于退相干和 SPAM，但该架构是鲁棒的。未来的改进可以通过增加 ZZ 相互作用以加速门操作、提高量子比特寿命或实现擦除方案（以检测并丢弃发生光子丢失的运行）来实现。作者建议，通过进一步优化，该路由器可以作为多层 QRAM 或概念验证量子网络的基础组件。

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