美国国家标准与技术研究院 (NIST)和科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)的联合研究机构JILA领导了一项研究，展示了如何使用激光从超导量子比特中读取信号，并且不会破坏量子比特。该成果于6月15日发表在《自然》杂志上。
超导量子比特阵列所构建的超导量子计算机是可扩展量子计算的领先平台，在适当的情况下，超导体将以“光子”的形式发射量子信号，这些光子以微波频率振荡。超导设备运行通常要求100mk以下的温度，其量子信息编码在微波场中，如果在常温下传输，则会被热噪声破坏。相比较下，光量子网络用于长距离传输量子态（主要以可见光形式）时不要求低温环境。因此，连接超导量子比特的微波场和可见光的量子电光换能器将极大扩展量子信息科学的能力。对超导量子比特光量子网络的追求催生了寻找高效、低噪声电光转换技术的丰富研究领域。虽然目前已经取得了重大进展，但如何将这些换能器与超导量子比特以不干扰量子比特操作的方式结合起来仍然是一个突出的挑战，部分原因在于，将微波光子转化为可见光所需的主要工具之一是激光，而激光是超导量子比特的克星。即使来自激光束的一个杂散光子击中量子比特，它也会完全擦除量子信息。
JILA 的研究员Lehnert说：“量子比特的脆弱性以及超导体和激光之间本质上的不相容性通常会阻止这种信息读取。”为了解决这个问题，JILA的研究团队使用一块高品质因数氮化硅膜将来自超导量子比特的信号转换为可见光。首先令量子比特与微波腔发生色散相互作用，腔的谐振频率取决于量子比特处于基态还是激发态。因此在微波腔的输入线上施加短读出脉冲，出射的微波脉冲的相位将取决于量子比特的态。此微波脉冲再通过用于隔离量子比特与换能器反作用的元件发送给换能器，并且使用平衡外差检测对波长 λ = 1,084 nm （激光波长）处的上转换读出脉冲进行解调。在量子比特读出期间，换能器泵浦被连续施加，而量子比特的制备和脉冲读出以 0.4 ms 到 2 ms 的间隔重复，具体取决于换能器的带宽。换能器的带宽过滤上转换的读出脉冲。总的来说，微波光进去，可见光出来。在最新的研究中，研究人员使用真正的超导量子比特测试了他们的换能器。他们发现高品质因数氮化硅膜材料可以实现这种转换，同时还可以有效地将量子比特和激光彼此隔离。换句话说，激光中的任何光子都没有泄漏回来破坏超导体。“我们的电光换能器对量子比特没有太大影响，”Lehnert说。该团队还没有达到可以传输实际量子信息的地步，且该设备还不是特别有效。平均而言，产生一个可见光光子需要大约 500 个微波光子。
研究人员目前正在努力提高这一比率。一旦他们做到了，量子领域将出现新的可能性。研究人员说，该小组的结果可能是朝着建立量子互联网迈出的重要一步。这样的网络将连接数十甚至数百个量子芯片，使工程师能够解决当今最快的超级计算机也无法解决的问题。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04720-2
报道链接：https://www.colorado.edu/today/2022/06/15/how-handle-quantum-information-without-destroying-it