通过连接较小的超导模块（如积木），伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员实现了近乎完美的量子比特性能。他们的模块化方法可以为未来可扩展、灵活的量子计算机打开大门。

模块化量子处理器设计显示出 ~99% 的保真度。它为可扩展的量子计算铺平了道路。

儿童积木和量子计算有什么共同点？答案是模块化。

事实证明，将量子计算机构建为单一的统一设备是极其困难的。这些机器依赖于纵数百万个量子比特，这是量子信息的基本单位，但将如此庞大的数量组装到一个系统中是一项重大挑战。

解决方案？寻找构建量子计算机的模块化方法。就像玩具积木卡在一起形成更大、更复杂的设计一样，研究人员可以构建更小、高质量的模块，然后将它们连接起来形成一个完整的量子系统。

基于这一原则，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的一个团队引入了一种改进的可扩展量子计算方法。他们展示了一种用于超导量子处理器的高性能模块化设计，展示了这种架构如何实现效率和适应性。他们的研究结果发表在《自然电子学》上，推进了早期的方法，更接近于创建可扩展、容错和可重构的量子计算平台。

相对于单片设计的优势

构建为单一、统一系统的超导量子计算机在大小和保真度方面都面临限制，而保真度决定了逻辑运算执行的可靠性。保真值为 1 代表完美的准确性，因此研究人员努力达到尽可能接近该基准的水平。与这些限制性的单片设计不同，模块化架构提供了更大的可扩展性、更容易的硬件改进以及对不一致的恢复能力，使其成为构建量子网络的更有前途的途径。

a，b，左（红色;a）和右（蓝色）量子比特的读出信号作为泵浦频率和设备输入功率的函数。沿边带谐振的圆形和方形标记分别表示Ωi/2π = 5 MHz和Ωi/2π = 10 MHz。c，d，上图：在Ωi/2π = 5 MHz的泵浦过程中量子比特1（红色）和2（蓝色）的激发态群体Pe的时间演化。下图：零失谐时的线切。线是一个考虑了量子比特和总线模式的 Ωi 和未驱动退相干率的模型。e，在Ω1/2π = 10 MHz的量子比特1上测量的拟合到边带振荡的激发态群体。红色阴影区域显示基于未驱动退相干率的极限。f，测量总线模式的单光子衰减。拟合指数衰减产生τ = 6.2 μs的寿命。

“我们创造了一种工程友好的方法来实现超导量子比特的模块化，”物理学助理教授、该论文的资深作者沃尔夫冈·普法夫 （Wolfgang Pfaff） 说。“我能否构建一个可以整合在一起的系统，允许我共同纵两个量子比特，从而在它们之间产生纠缠或门作？我们能以非常高的质量做到这一点吗？我们是否也可以让它拆开并重新组装？通常，我们只有在将它们放在一起后才发现出了问题。因此，我们真的希望能够稍后重新配置系统。

高保真连接

通过构建一个系统，其中两个设备通过超导同轴电缆连接以跨模块连接量子比特，Pfaff 的团队展示了 ~99% 的 SWAP 门保真度，损耗不到 1%。他们能够用电缆连接和重新配置单独的设备，同时保持高质量，为该领域设计通信协议提供了新的见解。

“对于我们的领域来说，找到一种有效的方法花了一段时间，”Pfaff 说。“许多小组已经发现，我们真正想要的是这种通过电缆将越来越大的东西拼接在一起的能力，同时达到足以证明扩展合理性的数字。问题只是找到正确的工具组合。

展望未来，Grainger 工程师将把重点转向可扩展性，尝试将两个以上的设备连接在一起，同时保留检查错误的能力。

“我们有很好的表现，”普法夫说。“现在我们需要对其进行测试，并说，它真的会向前发展吗？这真的有意义吗？