量子突破：微波和光学光子的首次纠缠！

量子计算具有解决复杂问题的潜力，如材料科学和密码学，甚至超级计算机难以实现。但要实现这一目标可能需要数百万个高质量的量子比特。超导量子计算机是当前发展最迅速的技术之一，但其受限于极低温度和尺寸限制。为了解决这个问题，需要构建一个模块化的量子计算机网络。然而，单个微波光子作为超导量子比特之间的本地信息传输粒子，在室温环境下不适合传输。室温下存在大量热量，容易干扰微波光子及其脆弱的量子性质，如纠缠。

鉴于此，近期由奥地利科学与技术研究所（ISTA）Fink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在Science发表了题为“Entangling microwaves with light”的研究成果。

概述

该研究旨在克服超导量子计算机中微波光子传输的困难，通过将微波光子与光学光子纠缠在一起，建立室温链路连接超导量子计算机的基础。首次将低能量的微波光子与高能量的光学光子纠缠在一起。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。这不仅对于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联以及用于新型量子增强远程感应应用。

图文导读

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。同时在超导腔中将光学光子分裂成一对新的纠缠光子：一个光学光子和一个微波光子。为了保持微波光子的量子性质，研究人员建造了一个更庞大的超导设备，并进行了正确的测量。

实验装置的艺术渲染，光束光子（红色）进入和离开电光晶体并在其圆形部分共振，以及产生的微波光子（蓝色）离开装置。

量子比特噪声是一个主要问题，它可以被视为对量子比特的任何干扰。其中一个主要来源是基于材料的热量，导致材料中的原子快速运动。这种热量对于纠缠等量子性质具有破坏性，因此使得量子比特不适合进行计算。为了确保量子计算机正常运行，必须将量子比特与环境隔离，并将其冷却到极低温度，在真空中保持其量子性质。

超导量子比特通过一种称为"稀释冰箱"的特殊圆柱形装置来实现冷却，该装置悬挂在天花板上，其中进行"量子"计算的部分发生。底部的量子比特被冷却到接近绝对零度的几千分之几度，约为-273摄氏度。这使得他们实验室中的这些冰箱成为整个宇宙中最寒冷的地方，甚至比太空本身还要冷。然而，随着添加更多量子比特和相关控制线路，会产生更多热量，使得保持量子计算机冷却变得更加困难。

为了保持功能正常，量子计算机必须将其量子比特与环境隔离，冷却到极低温度，并在真空中保持，以保持它们的量子性质。超导量子比特通过稀释冰箱来实现冷却，将量子比特冷却到接近绝对零度的几千分之几摄氏度。这种冷却方法使得实验室中的冰箱成为宇宙中最寒冷的地方之一。

量子比特是量子计算机的基本信息单元。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。

随着添加更多的量子比特和相关的控制线路，产生的热量也越多，保持量子计算机的冷却变得更加困难。研究人员预测，在单个量子计算机中达到约1,000个超导量子比特时，将达到冷却的极限。因此，需要将几台较小的量子计算机连接起来形成一个量子网络。“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。

为了解决热量干扰问题，研究人员希望使用光学光子代替易受噪音干扰的微波光子，在量子计算机之间建立网络。光学光子具有更高的频率，类似于传送高速互联网的光纤中传输的光子。与微波光子相比，光学光子对量子计算机中的量子比特和连接更不容易受到热量干扰。

参考文献

“Entangling microwaves with light” by R. Sahu, L. Qiu, W. Hease, G. Arnold, Y. Minoguchi, P. Rabl and J. M. Fink, 18 May 2023, Science.

DOI: 10.1126/science.adg3812

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