首個光控超導量子比特換能器問世

科技日報北京4月8日電 （記者張夢然）美國哈佛大學應用物理學家團隊近期開發出一種微波光學量子換能器，或稱光子路由器。這種創新裝置專為採用超導微波量子比特作為基本操作單元的量子處理系統設計，旨在為噪聲敏感的微波量子計算機提供一種強大的光學接口，並可集成到量子網絡中。這一成果標誌着向實現模塊化、分佈式量子計算網絡邁出的重要一步。相關論文發表在最新的《自然·物理學》雜誌上。

該換能器成功彌合了微波與光子之間的顯著能量差異，從而使得利用數公里之外生成的光信號來控制微波量子比特成為可能。這也是首個僅依賴光學手段即可控制超導量子比特的設備。團隊強調，該換能器提供了一種在規劃量子網絡時利用光學優勢的方法。儘管這些系統的完全實現仍需時間，但為了達成這一目標，找到擴展和不同組件間交互的有效途徑至關重要，而光子由於其低損耗和高帶寬特性，被認為是最佳的信息載體之一。

這個2毫米大小、形似回形針的光學裝置被安裝在一個大約2釐米長的芯片上。它通過將微波諧振器與兩個光學諧振器連接起來工作，依靠基礎材料鈮酸鋰的獨特屬性完成能量交換過程。這消除了使用龐大且發熱的微波電纜控制量子比特狀態的需求。

值得注意的是，這種用於控制的設備也可用來讀取量子比特的狀態或直接建立鏈接，將複雜的量子信息轉化為量子計算節點間的穩定光包。這一進展使人們更加接近一個由低損耗、高功率光網絡連接的超導量子處理器的世界。

團隊表示，未來的研究計劃包括利用光可靠地產生並分配微波量子比特間的糾纏態。

【總編輯圈點】

量子計算是極端輕巧的過程，但設備卻頗為笨重。傳統超導量子比特依賴微波控制，設備連着低温電纜，不好擴展，還會引入噪聲信號。通過深度開發鈮酸鋰的特性，科學家用光子直接調控微波量子態，顯著提升系統穩定性，為多芯片互聯掃清障礙，加速實驗室級量子系統向實用化演進。用量子計算機設計藥物、模擬氣候的那一天離我們越來越近了。這項突破也提示我們，量子革命不僅是算法競賽，更依賴光電融合、材料創新等底層技術的持續突破。