重大发现！光纤可用于超导量子比特通信

光子盒研究院出品

美国国家标准与技术研究院（NIST）提出，制造具有巨大处理能力的超导量子计算机的秘密可能是一种普通的电信技术——光纤。

NIST的物理学家使用光纤代替金属电线来测量和控制了超导量子比特，为实现一百万量子比特铺平了道路。论文发表于3月24日的Nature。

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。但这些电路必须在低温下工作，并且将它们连接到室温电子设备的方案很复杂，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100万个量子比特，传统的超低温稀释制冷机使用金属布线最多只能支持数千个量子比特。

光纤是电信网络的主干，它有一个玻璃或塑料芯，可以在不导热的情况下传输大量光信号。但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。因此光需要精确地转换成微波。

为了解决这个问题，NIST的研究人员将这种光纤与其他一些标准组件结合起来，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，然后光子就可以很容易地转换成微波。这个系统和金属布线一样工作，并保持了量子比特脆弱的量子态。

NIST物理学家John Teufel说:“我认为这一进展将产生巨大影响，因为它结合了光子和超导量子比特这两种完全不同的技术，来解决一个非常重要的问题。光纤也能以比传统电缆小得多的体积传输更多的数据。”

NIST物理学家使用光纤(用白色箭头表示)来测量和控制超导量子比特，而不是低温恒温器内所示的14根金属电缆。通过使用光纤，研究人员可以将100万个量子比特装入量子计算机，而不仅仅是几千个。

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其传送到低温保护的超导量子比特。新的NIST装置使用光纤代替金属将光信号引导到低温光电探测器，后者将信号转换回微波，并将其传送到量子比特。出于实验对比的目的，微波可以通过光子链路或规则的同轴线传送到量子比特。

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器件，嵌入在三维储存器或空腔中。这个结由两种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。通过施加一定的微波频率，研究人员可以在低能和激发态（数字计算中为1或0）之间驱动量子比特。这些状态基于库珀对的数量——具有相反性质的束缚电子对——它们已经“隧穿”了结。

NIST团队进行了两种实验，利用光子链路产生微波脉冲，测量或控制量子比特的量子态。这种方法基于两个关系：微波在腔中自然来回反弹的频率（共振频率），取决于量子比特的状态。量子比特转换状态的频率取决于腔中光子的数量。

研究人员通常用微波发生器开始实验。为了控制量子比特的量子状态，被称为电光调制器的装置将微波转换成更高的光频率。这些光信号通过光纤从室温到4开尔文（零下269摄氏度）再到20毫开尔文（千分之一开尔文），在那里它们降落在高速半导体光电探测器中，光电探测器将光信号转换回微波，然后发送到量子电路。

在这些实验中，研究人员以量子比特的自然共振频率向其发送信号，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来测量腔体的共振频率。

研究人员首先在抑制激光功率的情况下启动量子比特振荡，然后利用光子链路向腔中发送微弱的微波脉冲。腔频率在98%的时间里准确地指示了量子比特的状态，与使用普通同轴线获得的精度相同。

研究人员设想了一种量子处理器，其中光纤中的光在量子比特之间传输信号，每根光纤都有能力在量子比特之间传输数千个信号。

文章链接：

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/optical-fiber-could-boost-power-superconducting-quantum-computers

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