建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通信技术——光纤。

 

美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家们已经用光导纤维代替金属电线来测量和控制超导量子比特(qubit)，杏2注册这为将100万个量子比特装入量子计算机而不是仅仅几千个铺平了道路。3月25日出版的《自然》杂志描述了这次演示。

 

超导电路是制造量子计算机的领先技术，因为它们可靠，易于大规模生产。但这些电路必须在低温下工作，而将它们与室温电子器件连接的方案非常复杂，容易使量子位过热。一台能够解决任何问题的通用量子计算机预计需要大约100万个量子位元。传统的低温恒温器——超冷稀释冰箱——带有金属线，最多只能容纳数千人。

 

光纤是电信网络的主干，它的核心是玻璃或塑料，可以在不导热的情况下传输大量的光信号。但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。所以光需要精确地转换成微波。

 

为了解决这个问题，NIST的研究人员将光纤和其他一些标准组件结合在一起，这些组件可以在单粒子(光子)的水平上转换、传递和测量光，然后可以很容易地转换成微波。该系统像金属布线一样工作，并保持了量子比特脆弱的量子态。

 

NIST的物理学家John Teufel说:“我认为这项进步将会产生巨大的影响，因为它结合了两种完全不同的技术，光子学和超导量子位，来解决一个非常重要的问题。”“与传统电缆相比，光纤可以在更小的体积内传输更多的数据。”

 

通常情况下，研究人员会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条件下维持的超导量子位上。NIST的新装置使用了一种光纤而不是金属来引导光信号到低温光电探测器，该探测器将信号转换回微波，并将它们传送到量子位上。为了实验比较的目的，微波可以通过光子链路或规则的同轴线传送到量子位元。

 

光纤实验中使用的“transmon”量子位是一种被称为约瑟夫森结的装置，它嵌入一个三维的储层或腔中。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，电流可以穿过结并来回振荡。通过施加一定的微波频率，研究人员可以使量子比特处于低能态和激发态之间(数字计算中为1或0)。这些状态是基于库柏对(具有相反性质的束缚电子对)的数量，库柏对“隧穿”过结。

 

NIST团队进行了两种类型的实验，杏耀yl注册使用光子链产生微波脉冲来测量或控制量子位元的量子态。该方法基于两种关系:微波在谐振腔中自然来回反弹的频率(称为共振频率)取决于量子位态。量子比特开关状态的频率取决于腔中的光子数量。

 

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，一种叫做电光调制器的设备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流4 k (- 269 C或- 452 ? F)到20 milliKelvin开尔文(四舍五入),他们降落在高速半导体光电探测器,光信号转换回微波,然后发送到量子电路。

 

在这些实验中，研究人员以其固有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，量子比特在基态和激发态之间振荡。