輕鬆擁抱可程式化量子電腦！NIST 透過「切換開關」有效減少量子電腦雜訊

當前量子電腦設計有兩大待解難題，首先是會引發量子位元計算出錯，甚至無法清楚讀取輸出結果的內外部雜訊問題，其次是靜態架構（static architecture0）的普遍採用，它擁有無法變更處理器設計的致命缺點。如今科學家透過新穎的可程式化切換開關（programmable toggle switch）元件，成功解決這兩大難題，為今後具備更清晰輸出結果之多功能量子處理器發展奠定基礎。

美國國家標準技術研究院（NIST）的科學家團隊為當前量子電腦引進了一種以「可程式化切換開關」元件為核心並包含兩個超導量子位元的全新設計策略。這個新穎元件對於降低雜訊大有幫助，並可將量子位元連接至「讀出諧振器」（readout resonator）電路上，進而清晰讀取量子位元的計算輸出結果。

該切換開關可以變換至不同狀態，進而調整量子位元和讀出諧振器之間的連接強度。當切換至開啟狀態時，切換開關、量子位元及讀出諧振器三元件之間能相互作用並進行計算。計算完成後，切換開關還能連接量子位元或讀出諧振器來檢索結果。該團隊表示，這個全新的元件架構有助於保護量子位元，並有望提高今後使用量子位元打造量子資訊處理器所需的高傳真測量能力。

內外部雜訊及「靜態架構」成為量子電腦兩大棘手難題

當前量子電腦在設計上面臨許多問題，其中尤以雜訊及架構性問題最棘手。如今的量子位元本身就有雜訊，大部分的雜訊多半因製造電腦所用材料的缺陷引起的，而且本質上會隨機出現，因此會造成量子位元的計算出錯。不僅如此，許多量子電腦設計上會支援所謂的「靜態架構」，其中處理器的每個量子位元會與相鄰的量子位元和讀出諧振器之間以預製線路（ fabricated wiring）實體相連，這些線路反而會它們曝露在更多雜訊之中。

靜態架構的最大缺點，莫過於讓處理器的架構變得十分固定而難以重新規劃。換言之，靜態架構下的量子位元只能處理少許相關工作，但要讓電腦執行更廣泛的任務，就需要透過不同的量子位元編排與佈局來切換不同的處理器設計，但在這樣的架構下就宛如不可能的任務。

該團隊透過可程式化切換開關成功克服了這兩大難題，該元件可以防止電路雜訊經由讀出諧振器潛入系統中，如此一來，大大地減少了量子電腦中最主要的雜訊源。透過這個切換開關，元件之間的斷開與相連，不再透過靜態架構的實體連線，而是由遠端發送的一連串微波脈衝加以控制。

透過軟體就能變更量子晶片架構，完美追蹤量子計算誤差

該團隊透露，整合更多這樣的切換開關元件不但可以執行任何數量的任務，而且將會是可程式化量子電腦的便捷基礎。而且該元件使得今後量子晶片能夠可程式化，使用者透過軟體便能變更晶片架構。切換開關還有一個好處是，能同時開啟兩個量子位元的測量，這對追蹤量子計算誤差起到十分重要的作用。

研究團隊在研究中所展示的三種元件，全都由超導元件製成，而且必須在極低溫度下運行。其中，切換開關本身是由超導量子干涉元件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）製成。接下來，該團隊正著手準備包含三個量子位元與一個讀出諧振器的全新設計策略，以便為未來更多量子位元和諧振器的串聯設計做好準備。

除了 NIST 科學家之外，該團隊成員還包括來自麻州大學洛厄爾分校（University of Massachusetts Lowell）、科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado Boulder）及Raytheon BBN Technologies公司的科學家，他們已將研究成果發表在《自然 – 物理學》期刊上。