奥地利科学和技术研究所的研究团队设计及制作了一种光电装置，并演示了在不同能量尺度的光子间建立纠缠。这个新的突破可以在能量尺度相差五个数量级以上的物理平台之间架起桥梁，并保持脆弱的纠缠，这将为有效连接混合量子系统提供途径。该成果于5月18日发表在《科学》杂志上。
量子计算机有望解决材料科学和密码破译带来的算力挑战，但由于需要纠错，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最高可达几百个。虽然超导量子技术具有计算速度快、与微纳芯片制造兼容等优点，但对超低温的需求最终限制了其尺寸，并且一旦冷却下来就无法对其进行任何物理访问。具有多个可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，单个微波光子并不适合在处理器之间通过室温环境传输，这是由于室温环境充满了噪声热量，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与维也纳理工大学和慕尼黑工业大学的研究人员合作，展示了克服这些挑战的重要技术进展。首先需要解决的是热噪声问题。当量子比特和相关控制线路越多时，产生的热量就越多，使用制冷机保持量子计算机的冷却就越难。该团队采用多个制冷机相互连接的方法解决该问题，即每个量子处理器配有自己的制冷机。其次，研究人员设计并制作了使得微波光子与光学光子纠缠的实验装置，即一个由非线性晶体制成光学谐振腔，其外是一个超导腔。当对晶体腔注入激光信号时，腔会输出光学光子和微波光子。“这个实验的挑战在于光学光子的能量大约是微波光子的2万倍，”文章第一作者Sahu解释说。为了解决这个问题，研究人员建造了一个比以前更庞大的超导装置，不仅避免了超导性的破坏，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低温。通过测量他们发现离开腔的两个光子（光学和微波光子）是纠缠在一起的。
“我们是第一个将能量差异如此之大的光子纠缠在一起的团队，”项目负责人Fink说，“这是创建量子网络的关键一步，也对其他量子技术（如量子增强传感）有用。”
图1 研究论文以Entangling microwaves with light为题发表在《科学》杂志上。
图2 实验装置示意图。光束光子（红色）进入和离开电光晶体并在其圆形部分发生共振，以及产生的微波光子（蓝色）离开装置。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3812
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