新的超导量子比特读取方法是建立量子互联网的重要一步
目前超导体系处于量子计算机的领先地位，然而超导量子比特难以通过基于光纤的量子网络实现信息传递。现在，科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)和美国国家标准与技术研究院(NIST)的联合研究机构JILA团队克服了这个问题。
在6月15日《自然》杂志的一篇论文中[1]，研究人员提出了一种新的超导量子比特读取方法，该方法可以使用激光从超导量子比特中读取信号，同时不会破坏量子比特。具体来说，使用一片极薄的氮化硅将超导量子比特发出的信号转换为可见光——这种光已经通过光纤电缆在城市之间传输数字信号。
“研究人员已经进行了从量子比特中提取光学光的实验，但在这个过程中不破坏量子比特是一个挑战，”论文合著者、JILA研究员和CU Boulder物理学副教授Cindy Regal说。
该团队表示，这一成果将是建立量子互联网的重要一步。
目前，有很多不同的方法来制作量子比特。一些科学家通过在激光中捕获原子来组装量子比特，其他人尝试将量子比特嵌入金刚石和其他晶体中，IBM和谷歌等公司使用由超导体制成的量子比特来设计量子计算机芯片。超导体是电子可以在没有电阻的情况下加速的材料，适当情况下，超导体将以微小的光子形式发射量子信号，这些光在微波频率下振荡。
用于光学介导的超导量子比特读取装置(a)电路QED(量子电动力学)系统包括一个分散耦合到三维同轴四分之一波空腔共振器的transmon量子比特。一根可移动的蓝宝石棒在原地调整腔体的频率。频率为ωd的量子比特制备脉冲（金色），然后是频率为ωc的读出脉冲（绿色），通过电路QED系统的输入线被注入。(b)定向耦合器用于将微波泵施加到变换器上，而循环器可以对反射信号进行微波异频测量。电路QED系统和变换器之间的隔离是通过环行器实现的，同时定向耦合器也用于干涉测量消除。(c)光电变换由一个光腔和一个倒装片微波LC电路谐振器组成，同时耦合到频率为ωm/2π=1.45MHz的高质量因子氮化硅膜的单模。(d)光学泵和外差法检测方案。(e)变换器泵和实验读出信号在频域中表示。电(光)机械阻尼率Γe(Γo)由各自的泵的强度控制，两者都通过ωm进行红调变（red-detuned），将微波信号转入光域。(f)脉冲时序图说明了量子比特（金色）和读出（绿色）脉冲，实验的重复时间为Tr=0.4-2ms，泵为稳定状态。上变频的读出脉冲被变换器的频率响应所过滤（底行）。
为了长距离发送这些类型的量子信号，研究人员首先需要将微波光子转换为可见光或光学光子——这些光子可以通过跨城镇甚至城市之间的光纤电缆网络相对安全地联络。“但是涉及到量子计算机时，实现这种转变是很棘手的。”该研究的共同作者Konrad Lehnert说，这是因为将微波光子转化为光学光子所需的主要工具之一是激光，而激光是超导量子比特的克星。如果激光束中的一个杂散光子击中超导量子比特，量子比特携带的信息就会完全消失。
“量子比特的脆弱性，以及超导体和激光之间本质的不相容性通常会阻止这种读取。”NIST和JILA研究员Lehnert说。为了绕过这个障碍，该团队转向了一个中间装备：一种称为“光电变换器”（Photoelectric Converter）的超薄材料。
光电变换器的示意图。这是一个超薄的装置，可以捕捉和转换来自超导量子比特的信号。
该团队首先用激光撞击一片太小且没有显微镜就看不见的晶圆。当来自量子比特的微波光子撞击设备时，它会摆动并吐出更多的光子，但这些光子现在以完全不同的频率振荡。
在最新的研究中，研究人员使用超导量子比特测试了他们的转换，他们发现这种超薄材料可以实现这种切换，同时还可以有效地使量子比特和激光彼此隔离。换句话说，来自激光的光子没有泄漏回来破坏超导体。他们的光电变换器对量子比特没有太大影响。
不过，该团队还没有达到可以通过这一“微型电话亭”传输实际量子信息的程度；除其他问题外，该设备还不是特别高效：平均需要大约500个微波光子才能产生单个可见光光子。
研究人员目前正在努力提高这一比率。一旦他们成功，量子领域可能会出现新的可能性。从理论上讲，科学家可以使用一套类似的工具通过光缆发送量子信号，当有人试图监听时，这些信号会自动擦除相关信息。
参考链接：
https://www.colorado.edu/today/2022/06/15/how-handle-quantum-information-without-destroying-it