用光给量子电路布线

实验装置的艺术效果图，光束光子（红色）进入和离开电光晶体并在其圆形部分内发生共振，以及产生的微波光子（蓝色）离开装置。资料来源：Eli Krantz, Krantz NanoArt

量子计算机有望解决材料科学和密码学方面的挑战性任务，这些任务即使在未来对最强大的传统超级计算机来说也是遥不可及。然而，由于需要纠错，这将可能需要数百万个高质量的量子比特。

超导处理器的进展很快，目前的量子比特数量为几百个。这种技术的优点是计算速度快，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，并且一旦冷却下来就无法进行任何物理访问。

一个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比特之间的原始信息载体的光粒子--不适合在处理器之间通过室温环境发送。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）芬克小组的研究人员与来自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。他们首次将低能量的微波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接连接超导量子计算机的基础。这不仅对扩大现有量子硬件的规模有影响，而且还需要实现与其他量子计算平台的互连，以及新的量子增强遥感应用。他们的成果已经发表在《科学》杂志上。

冷却噪音

芬克小组的博士后、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音。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轨道所基于的材料的热量。"

热量会导致材料中的原子迅速移动。这对像纠缠这样的量子特性是有破坏性的，因此，它将使量子比特不适合于计算。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，如纠缠。纠缠对于量子计算机非常重要，因为它允许量子计算机以一种非量子计算机不可能的方式进行计算。资料来源：马克-贝兰/ISTA

对于超导量子比特来说，这发生在一个悬挂在天花板上的特殊圆柱形装置中，被称为 "稀释冰箱"，计算的 "量子 "部分就在其中进行。其最底部的量子比特被冷却到只比绝对零度高几千分之一的温度--大约为-273摄氏度。萨胡兴奋地补充说："这使得我们实验室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，但量子比特和相关的控制线路越多，产生的热量就越多，保持量子计算机的冷却就越难。"科学界预测，在一台量子计算机中大约有1000个超导量子比特时，我们就达到了冷却的极限，"Sahu告诫说。"只是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，但每一次组装和冷却都会变得堪比火箭发射，你只有在处理器冷却后才会发现问题，而且没有能力干预和纠正这种问题。"

量子波

"如果一个稀释冰箱不能同时充分冷却一千多个超导量子比特，我们就需要把几个较小的量子计算机连接起来一起工作，"芬克小组的博士后、这项新研究的另一位第一作者刘秋解释。"我们将需要一个量子网络。"

将两台超导量子计算机连接在一起，每台都有自己的稀释冰箱，并不像用电线连接它们那样简单。这种连接需要特别考虑，以保持量子比特的量子性质。

超导量子比特利用微小的电流工作，这些电流以每秒约100亿次的频率在电路中来回移动。它们使用微波光子--光的粒子进行互动。它们的频率类似于手机使用的频率。

实验装置包括稀释冰箱、超导腔和电光晶体，用于分裂和纠缠光子。资料来源：Mark Belan/ISTA

问题是，即使是少量的热量也很容易干扰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。当通过冰箱外的电缆时，环境的热量会使它们失去作用。

"我们不需要在量子计算机内进行计算的易受噪音影响的微波光子，而是想用频率高得多的类似于可见光的光子将量子计算机联网，"Qiu解释。这些光子与通过光纤发送的光子是一样的，这些光纤将高速互联网送到我们家里。这种技术已被充分理解，并且更不容易受到热噪音的影响。Qiu补充说："挑战是如何让微波光子与光学光子相互作用，以及如何让它们纠缠在一起。"

分裂光线

在他们的新研究中，研究人员使用了一个特殊的电光装置：一个由非线性晶体制成的光学谐振器，它在电场存在的情况下改变其光学特性。一个超导腔容纳了这种晶体并加强了这种互动。

Sahu和Qiu使用激光器将数十亿光子送入电光晶体，时间为几分之一微秒。通过这种方式，一个光学光子分裂成一对新的纠缠光子：一个能量仅略低于原始光子的光学光子和一个能量更低的微波光子。

"这个实验的挑战是，光学光子的能量是微波光子的2万倍，"Sahu解释说，"它们给设备带来了大量的能量，因此也带来了热量，然后可能破坏微波光子的量子特性。我们已经工作了几个月，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庞大的超导装置。这不仅避免了超导性的破坏，而且还有助于更有效地冷却该装置，并在光学激光脉冲的短时标内保持其低温。

"突破在于离开该装置的两个光子--光学和微波光子--是纠缠在一起的，"Qiu解释说。"这已经通过测量两个光子的电磁场的量子波动之间的相关性得到了验证，这种相关性比经典物理学所能解释的还要强。"

"我们现在是第一个将如此巨大的不同能量尺度的光子纠缠在一起的人。" 芬克说："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。"

参考资料：R. Sahu et al, Entangling microwaves with light, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg3812.