首個光控超導(dǎo)量子比特換能器問世為量子計算機提供強大光學(xué)接口

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4月8日，美國哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家團隊近期開發(fā)出一種微波光學(xué)量子換能器，或稱光子路由器。這種創(chuàng)新裝置專為采用超導(dǎo)微波量子比特作為基本操作單元的量子處理系統(tǒng)設(shè)計，旨在為噪聲敏感的微波量子計算機提供一種強大的光學(xué)接口，并可集成到量子網(wǎng)絡(luò)中。這一成果標志著向?qū)崿F(xiàn)模塊化、分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)邁出的重要一步。相關(guān)論文發(fā)表在最新的《自然·物理學(xué)》雜志上。

該換能器成功彌合了微波與光子之間的顯著能量差異，從而使得利用數(shù)公里之外生成的光信號來控制微波量子比特成為可能。這也是首個僅依賴光學(xué)手段即可控制超導(dǎo)量子比特的設(shè)備。團隊強調(diào)，該換能器提供了一種在規(guī)劃量子網(wǎng)絡(luò)時利用光學(xué)優(yōu)勢的方法。盡管這些系統(tǒng)的完全實現(xiàn)仍需時間，但為了達成這一目標，找到擴展和不同組件間交互的有效途徑至關(guān)重要，而光子由于其低損耗和高帶寬特性，被認為是最佳的信息載體之一。

這個2毫米大小、形似回形針的光學(xué)裝置被安裝在一個大約2厘米長的芯片上。它通過將微波諧振器與兩個光學(xué)諧振器連接起來工作，依靠基礎(chǔ)材料鈮酸鋰的獨特屬性完成能量交換過程。這消除了使用龐大且發(fā)熱的微波電纜控制量子比特狀態(tài)的需求。

值得注意的是，這種用于控制的設(shè)備也可用來讀取量子比特的狀態(tài)或直接建立鏈接，將復(fù)雜的量子信息轉(zhuǎn)化為量子計算節(jié)點間的穩(wěn)定光包。這一進展使人們更加接近一個由低損耗、高功率光網(wǎng)絡(luò)連接的超導(dǎo)量子處理器的世界。

團隊表示，未來的研究計劃包括利用光可靠地產(chǎn)生并分配微波量子比特間的糾纏態(tài)。

【總編輯圈點】

量子計算是極端輕巧的過程，但設(shè)備卻頗為笨重。傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特依賴微波控制，設(shè)備連著低溫電纜，不好擴展，還會引入噪聲信號。通過深度開發(fā)鈮酸鋰的特性，科學(xué)家用光子直接調(diào)控微波量子態(tài)，顯著提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，為多芯片互聯(lián)掃清障礙，加速實驗室級量子系統(tǒng)向?qū)嵱没葸M。用量子計算機設(shè)計藥物、模擬氣候的那一天離我們越來越近了。這項突破也提示我們，量子革命不僅是算法競賽，更依賴光電融合、材料創(chuàng)新等底層技術(shù)的持續(xù)突破。