首個(gè)光控超導(dǎo)量子比特?fù)Q能器問(wèn)世 為量子計(jì)算機(jī)提供強(qiáng)大光學(xué)接口

科技日?qǐng)?bào)北京4月8日電 (記者張夢(mèng)然)美國(guó)哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)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(zhuān)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(jì)，旨在為噪聲敏感的微波量子計(jì)算機(jī)提供一種強(qiáng)大的光學(xué)接口，并可集成到量子網(wǎng)絡(luò)中。這一成果標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)模塊化、分布式量子計(jì)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(hào)來(lái)控制微波量子比特成為可能。這也是首個(gè)僅依賴光學(xué)手段即可控制超導(dǎo)量子比特的設(shè)備。團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，該換能器提供了一種在規(guī)劃量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)利用光學(xué)優(yōu)勢(shì)的方法。盡管這些系統(tǒng)的完全實(shí)現(xiàn)仍需時(shí)間，但為了達(dá)成這一目標(biāo)，找到擴(kuò)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(rèn)為是最佳的信息載體之一。

這個(gè)2毫米大小、形似回形針的光學(xué)裝置被安裝在一個(gè)大約2厘米長(zhǎng)的芯片上。它通過(guò)將微波諧振器與兩個(gè)光學(xué)諧振器連接起來(lái)工作，依靠基礎(chǔ)材料鈮酸鋰的獨(dú)特屬性完成能量交換過(guò)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(lái)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(jì)算節(jié)點(diǎn)間的穩(wěn)定光包。這一進(jìn)展使人們更加接近一個(gè)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(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)的研究計(jì)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(diǎn)】

量子計(jì)算是極端輕巧的過(guò)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(kuò)展，還會(huì)引入噪聲信號(hào)。通過(guò)深度開(kāi)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(shí)驗(yàn)室級(jí)量子系統(tǒng)向?qū)嵱没葸M(jìn)。用量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)藥物、模擬氣候的那一天離我們?cè)絹?lái)越近了。這項(xiàng)突破也提示我們，量子革命不僅是算法競(jìng)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。