如何让微波光子与光学光子相互作用

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，即使对于未来最强大的传统超级计算机来说，这些任务也将遥不可及。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。 超导处理器的进步迅速，目前的量子比特数只有几百个。该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，并在冷却后阻止了任何物理访问。  

实验装置的效果图

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，单微波光子（作为处理器内超导量子位之间的天然信息载体的光粒子）不适合通过处理器之间的室温环境发送。室温下的世界熙熙攘攘，热量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。这不仅对扩展现有量子硬件具有影响，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。他们的研究结果已发表在《科学》杂志上。 降噪 Fink小组的博士后Rishabh Sahu是这项新研究的第一作者之一，他解释说：“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热量。”

热量导致材料中的原子快速推挤。这会破坏纠缠等量子特性，因此，它将使量子比特不适合计算。因此，为了保持功能，量子计算机必须将其量子比特与环境隔离，冷却到极低的温度，并保持在真空中以保持其量子特性。

它们具有独特的各种特性，例如缠绕。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。 对于超导量子比特，这发生在悬挂在天花板上的特殊圆柱形装置中，称为“稀释冰箱”，其中进行计算的“量子”部分。其最底部的量子比特被冷却到仅比绝对零度温度高出千分之几度，大约-273℃。Sahu兴奋地补充道：“这使得我们实验室里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比特，但添加的量子比特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。Sahu警告说：“科学界预测，在一台量子计算机中大约有1个超导量子比特时，我们达到了冷却的极限，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。”

芬克补充说：“更大的机器正在开发中，但每次组装和冷却时间都变得与火箭发射相当，只有当处理器变冷并且没有能力干预和纠正这些问题时，你才会发现问题。”

量子波

Fink小组的博士后，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充分冷却超过一千个超导量子比特，我们需要连接几台较小的量子计算机一起工作，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。需要特别考虑连接以保持量子比特的量子性质。

超导量子比特与微小的电流一起工作，这些电流以每秒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。它们的频率与手机使用的频率相似。

实验装置与稀释箱，超导腔和电光晶体分裂和纠缠光子。 问题在于，即使是少量的热量也很容易干扰单个微波光子及其在两个独立的量子计算机中连接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变得无用。 Qiu解释说：“而不是我们需要在量子计算机中进行计算的易受噪声影响的微波光子，我们希望使用类似于可见光的更高频率的光学光子将量子计算机联网在一起”。这些光子与通过光纤发送的光子相同，这些光纤将高速互联网传送到我们的家庭。这项技术很好理解，更不容易受到热噪声的影响。Qiu补充说：“挑战是如何让微波光子与光学光子相互作用以及如何纠缠它们。

分光

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，它在电场存在下会改变其光学特性。超导腔容纳这种晶体并增强这种相互作用。   Sahu和Qiu使用激光将数十亿个光子发送到电光晶体中，持续几分之一微秒。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略少，而微波光子的能量要低得多。

Sahu解释说：“这个实验的挑战是光子的能量比微波光子多20，000倍，它们将大量能量和热量带入设备，然后可以破坏微波光子的量子特性。我们已经工作了几个月来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内保持低温。” Qiu解释说：“突破在于离开设备的两个光子 - 光学和微波光子 - 纠缠在一起。

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来验证，这些量子涨落比经典物理学所能解释的要强。” 芬克说：“我们现在是第一个纠缠如此不同能量尺度的光子的人。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。”    

编辑：黄飞