ISTA研究人员首次纠缠微波和光学光子

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，即使是未来最强大的传统超级计算机也无法完成这些任务。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。

超导处理器的进展迅速，目前的量子比特数为数百。这项技术的优点是计算速度快，并且与微芯片制造兼容，但对超低温的需求最终限制了处理器的尺寸，一旦冷却下来就无法进行任何物理访问。

具有多个单独冷却的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——作为处理器内超导量子位之间的原生信息载体的光粒子——不适合通过处理器之间的室温环境发送。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。

来自奥地利科学技术研究所 (ISTA) Fink 小组的研究人员与来自TU Wien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学光子纠缠在一起。两个光子的这种纠缠量子态是通过室温链路连接超导量子计算机的基础。这不仅对扩展现有的量子硬件有影响，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。他们的成果发表在期刊上科学。

消除噪音

Fink 小组的博士后、这项新研究的第一作者之一 Rishabh Sahu 解释说：“任何量子比特的一个主要问题是噪声。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。”

热量导致材料中的原子快速移动。这对纠缠等量子特性具有破坏性，因此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。

对于超导量子位，这发生在一个特殊的圆柱形装置中，该装置悬挂在天花板上，称为“稀释冰箱”，计算的“量子”部分在其中进行。其最底部的量子位被冷却到仅比绝对零温度高出千分之几度——大约 -273 摄氏度。Sahu 兴奋地补充道：“这使得我们实验室中的这些冰箱成为整个宇宙中最冷的地方，甚至比太空本身还要冷。”

冰箱必须持续冷却量子位，但添加的量子位和相关控制线路越多，产生的热量就越多，保持量子计算机冷却的难度就越大。“科学界预测，在一台量子计算机中大约有 1,000 个超导量子位时，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的量子计算机的可持续解决方案。”

Fink 补充说，“更大的机器正在开发中，但每次组装和冷却都变得与火箭发射相当，只有在处理器变冷时你才能发现问题，而没有能力干预和纠正这些问题。”

量子波

“如果稀释冰箱不能同时充分冷却超过一千个超导量子位，我们需要将几台较小的量子计算机连接起来一起工作，”Fink 小组的博士后和新研究的另一位第一作者刘秋解释道。“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，每台都有自己的稀释制冷机，并不像用电缆连接它们那么简单。连接需要特别考虑以保持量子位的量子性质。

超导量子位与微小电流一起工作，这些电流以每秒大约一百亿次的频率在电路中来回移动。它们使用微波光子(光粒子)相互作用。它们的频率类似于手机使用的频率。

问题在于，即使是少量的热量也很容易扰乱单个微波光子及其连接两个独立量子计算机中的量子比特所需的量子特性。当穿过冰箱外的电缆时，环境的热量会使它们失效。

“我们希望使用类似于可见光的频率更高的光学光子将量子计算机联网在一起，而不是我们需要在量子计算机内进行计算的容易产生噪声的微波光子，”邱解释说。这些光学光子与通过光纤发送的光子相同，可以将高速互联网传输到我们的家中。这项技术已广为人知，并且不易受热噪声的影响。邱补充说：“挑战在于如何让微波光子与光学光子相互作用，以及如何使它们纠缠在一起。”

分裂光

在他们的新研究中，研究人员使用了一种特殊的电光设备：一种由非线性晶体制成的光学谐振器，它会在存在电场的情况下改变其光学特性。超导腔容纳这种晶体并增强这种相互作用。

Sahu 和 Qiu 使用激光在几分之一微秒内将数十亿个光学光子发送到电光晶体中。通过这种方式，一个光学光子分裂成一对新的纠缠光子：一个光学光子的能量仅比原始光子少一点，而一个微波光子的能量低得多。

“这项实验的挑战在于，光学光子的能量是微波光子的 20,000 倍左右，”Sahu 解释说，“它们将大量能量和热量带入设备，从而破坏微波的量子特性光子。几个月来，我们一直在努力调整实验并获得正确的测量结果。” 为了解决这个问题，研究人员建造了一个比以前的尝试体积更大的超导装置。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内保持低温。

“突破在于离开设备的两个光子——光学光子和微波光子——相互纠缠在一起，”邱解释道。“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证实，这种相关性比经典物理学所能解释的还要强。”

“我们现在是第一个纠缠如此巨大不同能量尺度的光子的人。” Fink 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，例如量子增强传感。”