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建造具有巨大处理能力的超导量子计算机的秘密:光纤

2021-05-12 22:34 · 稿源:cnbeta

建造具有大规模处理能力的超导量子计算机的秘密可能是一种普通的电信技术--光纤。美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家已经测量并控制了一个使用光导纤维而不是金属电线的超导量子位(qubit),将一百万个qubit装入量子计算机,而不是只有几千个。3月25日出版的《自然》杂志对这一演示进行了描述。

超导电路是制造量子计算机的一项领先技术,因为它们是可靠的,而且容易大规模生产。但是这些电路必须在低温下工作,而且将它们与室温电子装置连接的方案很复杂,容易使量子比特过热。一台能够解决任何类型问题的通用量子计算机,预计需要约100万个量子比特。传统的低温箱:带有金属线路的超低温稀释冰箱最多只能支持数千个。

作为电信网络主干的光纤,有一个玻璃或塑料芯,可以携带大量的光信号而不传导热量。但超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。因此,光需要被精确地转换为微波。

为了解决这个问题,NIST的研究人员将光纤与其他一些标准组件结合起来,这些组件在单粒子或光子的水平上转换、传递和测量光,然后可以很容易地将其转换为微波。该系统的工作效果与金属线路一样好,并保持了量子比特的脆弱量子状态。

通常情况下,研究人员在室温下产生微波脉冲,然后通过同轴金属电缆将它们传递给低温保持的超导量子比特。NIST的新做法使用了一根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其传递给量子比特。出于实验比较的目的,微波可以通过光子链路或普通的同轴线路被输送到量子比特。

光纤实验中使用的 "transmon"量子比特是一个被称为约瑟夫森结的装置,它被嵌入到一个三维储能器或腔体中。这个结由两个被绝缘体隔开的超导金属组成。在某些条件下,电流可以穿过该结,并可能来回振荡。通过应用一定的微波频率,研究人员可以在低能量和激发状态(数字计算中的1或0)之间驱动该量子比特。这些状态是基于库珀对的数量,这是一种具有相反性质的绑定电子对,它们已经 "穿越"了约瑟夫森结。

NIST团队进行了两种类型的实验,利用光子链接产生微波脉冲,测量或控制量子比特的量子状态。该方法是基于两种关系。微波在腔体中自然来回反弹的频率,称为共振频率,取决于量子比特的状态。而量子比特切换状态的频率取决于腔体中的光子数量。

研究人员用一个微波发生器开始实验。为了控制量子比特的量子状态,被称为电光调制器的装置将微波转换为更高的光学频率。这些光信号通过光纤从室温到4开尔文(零下269摄氏度或零下452华氏度)流向20毫开尔文(千分之一开尔文),在那里它们落入高速半导体光电探测器,后者将光信号转换回微波,然后被发送到量子电路。

在这些实验中,研究人员以量子比特的自然共振频率向其发送信号,以使其进入所需的量子状态。当有足够的激光功率时,量子比特在其接地和激发状态之间振荡。

为了测量量子比特的状态,研究人员使用红外激光器以特定的功率水平发射光,通过调制器、光纤和光电探测器来测量腔体的共振频率。

研究人员首先在抑制激光功率的情况下启动了量子比特的振荡,然后利用光子链路向空腔发送一个微弱的微波脉冲。腔体频率在98%的时间内准确地显示了量子比特的状态,与使用常规同轴线路获得的精度相同。在这个基础上,研究人员设想了一种量子处理器,其中光纤中的光向量子比特传输信号,每根光纤都有能力携带成千上万的信号进出量子比特。

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