光纤可以提高超导量子计算机的能力
NIST 的物理学家使用光导纤维（用白色箭头表示）测量和控制超导量子比特（qubit），而不是像图中所示的低温恒温器内的 14 条金属电缆。 通过使用光纤，研究人员有可能将一百万个量子比特装入一台量子计算机，而不仅仅是几千个。 图片来源：F. Lecocq/NIST
建造具有巨大处理能力的超导量子计算机的秘诀可能是一种普通的电信技术——光纤。
美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的物理学家使用光导纤维代替金属电线测量和控制了超导量子比特 (qubit)，为将一百万个量子比特装入量子计算机而不仅仅是一个量子计算机铺平了道路。几千。 演示在 25 月 XNUMX 日发行的 自然.
超导电路是制造量子计算机的领先技术，因为它们可靠且易于大规模生产。 但是这些电路必须在低温下运行，并且将它们连接到室温电子设备的方案很复杂，并且容易使量子比特过热。 一台能够解决任何类型问题的通用量子计算机预计需要大约 1 万个量子比特。 带有金属线的传统低温恒温器——超冷稀释冰箱——最多只能支持数千个。
光纤是电信网络的主干，具有玻璃或塑料芯，可以携带大量光信号而不导热。 但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。 所以光需要精确地转换成微波。
为了解决这个问题，NIST 研究人员将光纤与其他一些标准组件相结合，这些组件可以在单个粒子或光子的水平上转换、传输和测量光，然后可以轻松地将其转换为微波。 该系统与金属布线一样工作，并保持了量子比特脆弱的量子态。
“我认为这一进步将产生巨大影响，因为它结合了两种完全不同的技术，光子学和超导量子比特，以解决一个非常重要的问题，”NIST 物理学家 John Teufel 说。 “与传统电缆相比，光纤还可以以更小的体积传输更多的数据。”
通常，研究人员在室温下产生微波脉冲，然后通过同轴金属电缆将它们传送到低温保持的超导量子比特。 新的 NIST 设置使用光纤而不是金属将光信号引导到低温光电探测器，低温光电探测器将信号转换回微波并将其传送到量子比特。 出于实验比较的目的，可以通过光子链路或常规同轴线将微波路由到量子比特。
光纤实验中使用的“transmon”量子比特是一种被称为约瑟夫森结的装置，嵌入在三维水库或空腔中。 这个结由两个被绝缘体隔开的超导金属组成。 在某些条件下，电流可以穿过结并可能来回振荡。 通过应用一定的微波频率，研究人员可以在低能和激发态（数字计算中的 1 或 0）之间驱动量子比特。 这些状态是基于库珀对的数量——具有相反特性的束缚电子对——已经“隧穿”了结。
NIST 团队进行了两种类型的实验，使用光子链路产生微波脉冲，测量或控制量子比特的量子态。 该方法基于两个关系：微波在腔体中自然来回反弹的频率（称为共振频率）取决于量子比特状态。 量子位切换状态的频率取决于腔中的光子数量。
研究人员通常使用微波发生器开始实验。 为了控制量子比特的量子态，称为电光调制器的设备将微波转换为更高的光频率。 这些光信号通过光纤从室温传输到 4 开尔文（负 269 摄氏度或负 452 华氏度）至 20 毫开尔文（千分之一开尔文），然后到达高速半导体光电探测器，将光信号转换回然后将微波发送到量子电路。
在这些实验中，研究人员以自然共振频率向量子比特发送信号，使其进入所需的量子态。 当有足够的激光功率时，量子比特在其基态和激发态之间振荡。
为了测量量子比特的状态，研究人员使用红外激光器通过调制器、光纤和光电探测器发射特定功率水平的光，以测量腔的共振频率。
研究人员首先启动量子比特振荡，抑制激光功率，然后使用光子链路向腔体发送微弱的微波脉冲。 腔频率在 98% 的时间内准确地指示了量子比特的状态，同样 使用常规同轴线获得。
研究人员设想了一种量子处理器，其中光纤中的光将信号传入和传出量子比特，每根光纤都能够将数千个信号传入和传出量子比特。
参考：“使用光子链路控制和读出超导量子比特”，F. Lecocq、F. Quinlan、K. Cicak、J. Aumentado、SA Diddams 和 JD Teufel，24 年 2021 月 XNUMX 日， 自然.
DOI：10.1038 / s41586-021-03268-x
