实现容错量子处理器需要耦合量子位以产生纠缠。超导量子位是量子信息处理的一个有前途的平台，但要扩展到全尺寸量子计算机，就需要以低错误率互连许多量子位。传统方法通常将耦合限制在最近的邻居，需要较大的物理占用空间，并涉及大量耦合器，使制造变得复杂。

新型多模耦合器设计推动可扩展量子计算

例如，成对耦合 100 个量子比特需要大量的耦合器。此外，即使要用单独的电缆控制 1,000 个量子比特的单个电路元件和耦合器，也需要大量不切实际的电缆，因此无法在大型实验室中安装这样的系统，更不用说管理数百万个量子比特了。这凸显了对更高效、更可扩展的耦合方法的需求。

由 FZJ 的 Mohd Ansari 领导的理论物理学家团队与雪城大学的 Britton Plourde 实验团队合作，推出了一种新方法，使用多模耦合器可以调节任意一对量子比特之间的耦合强度。

这项研究发表在PRX Quantum上，利用了一个由超材料传输线制成的环形共享耦合器。这种设计在量子比特跃迁频率范围附近产生了密集的驻波共振频谱。左手环形谐振器由 24 个电感接地和电容耦合单元组成，在最低截止频率以上表现出一组密集的模式，模式频率在较高频率下分布得更远。

这种独特的设计，驻波的频率与波长成线性比例，与传统的驻波形成鲜明对比。例如，频率加倍会使波长加倍，而不像典型的系统那样，频率加倍会使波长减半。想象一下一种乐器，音调越高，波长就越长——这一概念违背了传统的预期。

两个超导量子位元位于环形谐振器 3 点和 6 点位置，它们与驻波耦合，相互作用强度取决于它们所在位置的驻波振幅。将多个量子位元耦合到共同的谐振模式会引起横向交换相互作用，耦合取决于每个量子位元对各种模式的失谐。这些相互作用可以是正的，也可以是负的。此外，每个量子位元的较高激发态与耦合模式之间的相互作用会产生更高阶的 ZZ 相互作用，这种相互作用也会随着量子位元失谐而变化，并且可以改变符号。

交换和 ZZ 相互作用的这种可变性与理论模型非常吻合，允许将纠缠能量从大值调整到零。该系统有可能扩展到环上两个以上的量子比特，这使其成为控制大型量子比特阵列中纠缠的有前途的平台。