实验装置的艺术效果图，其中光束光子(红色)进入和离开电光晶体并在其圆形部分内谐振，以及产生的微波光子(蓝色)离开该装置。图片来源:Eli Krantz, Krantz NanoArt

量子计算机有望解决材料科学和密码学中具有挑战性的任务，这些任务在未来即使是最强大的传统超级计算机也无法实现。然而，由于需要纠错，这可能需要数百万个高质量的量子比特。

超导处理器的进展很快，目前的量子比特数只有几百个。这项技术的优点是计算速度快，与微芯片制造兼容，但对超冷温度的需求最终限制了处理器的尺寸，并且一旦冷却，就无法进行任何物理访问。

具有多个单独冷却处理器节点的模块化量子计算机可以解决这个问题。然而，单个微波光子——处理器内超导量子比特之间的天然信息载体——不适合在处理器之间的室温环境中传输。室温下的世界充满了热量，这很容易扰乱微波光子及其脆弱的量子特性，如纠缠。

奥地利科学技术研究所(ISTA)芬克小组的研究人员与维也纳工业大学和慕尼黑工业大学的合作者一起，展示了克服这些挑战的重要技术步骤。他们首次将低能微波与高能光子纠缠在一起。

这种两个光子的纠缠量子态是通过室温链路连接超导量子计算机的基础。这不仅对扩大现有量子硬件具有重要意义，而且还需要实现与其他量子计算平台的互连，以及新型量子增强遥感应用。他们的研究结果发表在《科学》杂志上。

冷却噪音

芬克小组的博士后、这项新研究的第一作者之一里沙伯·萨胡(Rishabh Sahu)解释说:“任何量子比特的一个主要问题都是噪音。噪声可以被认为是对量子比特的任何干扰。噪声的一个主要来源是量子比特所基于的材料的热量。”

热使物质中的原子迅速相互碰撞。这会破坏量子特性，比如纠缠，因此，它会使量子位不适合计算。因此，为了保持功能，量子计算机必须将其量子位与环境隔离，冷却到极低的温度，并保持在真空中以保持其量子特性。

它们具有各种独特的特性，比如纠缠。纠缠对量子计算机很重要，因为它允许它们以非量子计算机不可能的方式进行计算。图片来源:Mark Belan/ISTA

对于超导量子比特来说，这是在一个悬挂在天花板上的特殊圆柱形装置中进行的，这个装置被称为“稀释冰箱”，在这个装置中，计算的“量子”部分发生了。它最底部的量子位被冷却到仅比绝对零度高千分之几度——大约是零下273摄氏度。Sahu兴奋地补充道:“这使得我们实验室里的冰箱成为整个宇宙中最冷的地方，甚至比太空本身还冷。”

冰箱必须不断地冷却量子比特，但添加的量子比特和相关的控制线路越多，产生的热量就越多，保持量子计算机的冷却就越困难。“科学界预测，在单个量子计算机中大约有1000个超导量子比特，我们就达到了冷却的极限，”Sahu警告说。“仅仅扩大规模并不是构建更强大量子计算机的可持续解决方案。”

芬克补充说:“更大的机器正在开发中，但每次组装和冷却就像火箭发射一样，只有在处理器冷却时才能发现问题，而没有能力干预和纠正这些问题。”

量子波

芬克小组的博士后、这项新研究的另一位第一作者刘秋解释说:“如果稀释冰箱不能一次冷却超过一千个超导量子比特，我们需要将几个更小的量子计算机连接起来一起工作。”“我们需要一个量子网络。”

将两台超导量子计算机连接在一起，每台计算机都有自己的稀释冰箱，并不像用电缆连接它们那么简单。这种连接需要特别考虑，以保持量子位的量子性质。

超导量子位在电路中以每秒100亿次的频率来回移动的微小电流中工作。它们通过微波光子——光的粒子相互作用。它们的频率与手机使用的频率相似。

实验装置采用稀释制冷机、超导腔和电光晶体进行光子的分裂和纠缠。图片来源:Mark Belan/ISTA

问题是，即使是少量的热量也很容易干扰单个微波光子及其量子特性，而这些特性是连接两台独立量子计算机中的量子比特所必需的。当通过冰箱外的电缆时，环境的热量会使它们失效。

邱解释说:“我们不需要在量子计算机中进行计算的容易产生噪声的微波光子，我们希望使用频率更高的光子，类似于可见光，将量子计算机连接在一起。”这些光子与通过光纤传输到我们家中的高速互联网的光子相同。这项技术很容易理解，而且对热噪声的影响也小得多。邱补充道:“挑战在于如何让微波光子与光学光子相互作用，以及如何将它们纠缠在一起。”

将光

在他们的新研究中，研究人员使用了一种特殊的电光器件:一种由非线性晶体制成的光学谐振器，它在电场的存在下会改变其光学特性。超导腔容纳了这种晶体并增强了这种相互作用。

Sahu和Qiu使用激光在不到一微秒的时间内将数十亿光子送入电光晶体。通过这种方式，一个光光子分裂成一对新的纠缠光子:一个光光子的能量只比原来的光子少一点，一个微波光子的能量要低得多。

“这个实验的挑战在于，光学光子的能量大约是微波光子的2万倍，”Sahu解释说，“它们会给设备带来大量的能量和热量，从而破坏微波光子的量子特性。我们花了几个月的时间调整实验，得到了正确的测量结果。”为了解决这个问题，与之前的尝试相比，研究人员建造了一个更笨重的超导装置。这不仅避免了超导性的破坏，而且还有助于更有效地冷却设备，并在光学激光脉冲的短时间尺度内保持低温。

“突破在于离开装置的两个光子——光学光子和微波光子——是纠缠在一起的，”邱解释说。“这已经通过测量两个光子电磁场的量子涨落之间的相关性得到了验证，这种相关性比经典物理学所能解释的要强。”

“我们现在是第一个纠缠如此巨大不同能量尺度的光子。”芬克说:“这是创建量子网络的关键一步，对其他量子技术也很有用，比如量子增强传感。”

更多信息:R. Sahu等人，纠缠微波与光，科学(2023)。DOI: 10.1126 / science.adg3812。www.science.org/doi/10.1126/science.adg3812

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