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光纤带来通用量子计算更近

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马里兰州盖瑟斯堡,2021年3月25日——美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家们使用光纤而不是金属电线来测量和控制超导量子比特。这项工作朝着一个普遍的方向发展量子能够解决最困难的等式的计算机,估计需要大约100万夸张。

超导电路,在鉴于其可靠性和易于生产性的尺寸和易于生产力方面,在创建量子计算机中的领先技术必须在低温温度下运行。将其接线到室温电子器件的方案复杂,容易过度过热距离。传统的低温恒温器 - 超级稀释冰箱 - 金属布线可以最多支持数千个贵族。
NIST的物理学家们用光导纤维(箭头所示)来测量和控制超导量子位元,而不是像这里所示的14根金属电缆。Lecocq) / NIST的礼貌。
NIST的物理学家们用光导纤维(箭头所示)来测量和控制超导量子位元,而不是像这里所示的14根金属电缆。Lecocq) / NIST的礼貌。

光纤,由于它们在没有传导热量的情况下承载高量信号的能力,是金属布线的有吸引力的替代方案。但是,超导量子计算机使用微波脉冲存储和处理信息,这意味着光必须精确地转换为微波。

为了解决这个问题,研究人员将一种纤维组合在光子级转换,传送和测量光的附加标准组件 - 然后可以很容易地转换为微波。该系统以与金属布线相同的水平运行,并保持Qubits易碎量子状态。

John Teufel的NIST的先进微波光子图组John Teufel表示,光纤也可以携带远远超过传统电缆的更多数据。

微波脉冲通常在室温下产生,通过同轴金属电缆传送到低温维持的超导量子位上。NIST开发的装置通过光纤将光信号引导到低温光电探测器上,然后将信号转换成微波并将其传送到量子位上。通过应用特定的微波频率,研究人员展示了在低能量和激发态(数字计算中为1或0)之间驱动量子位元的能力。这些状态是基于库柏对(具有相反性质的束缚电子对)的数量,库柏对“隧穿”过结。

该团队进行了两种类型的实验,使用光子链产生微波脉冲,测量或控制量子位元的量子状态。该方法基于两种关系:微波在腔内自然来回反射的频率,称为共振频率,它取决于量子比特的状态;量子比特切换状态的频率,取决于腔内光子的数量。

该团队开始使用微波发生器进行两种类型的实验。为了控制Qubit的量子状态,电光调制器将微波转换为更高的光学频率。这些光信号通过室温从室温流到4 k(-269°C)到20 mk,在那里它们降落在高速半导体光电探测器中,将光信号转换回微波炉,然后将光信号转换回微波炉,然后将其转换为微波,然后将其发送到量子电路。

在这些实验中,研究人员以其固有共振频率向量子比特发送信号,使其进入所需的量子态。当有足够的激光功率时,量子比特在基态和激发态之间振荡。

为了衡量Qubit的状态,研究人员使用红外激光通过调制器,光纤和光电探测器在特定功率水平下发光,以测量腔的共振频率。
他们首先在抑制激光功率的情况下启动量子比特振荡,然后利用光子链路向空腔发送弱微波脉冲。腔频在98%的时间内准确地指示了量子比特的状态——与使用常规同轴线获得的精度相同。

该团队设想了一种量子处理器,在该处理器中,光纤中的光在量子位元之间传输信号,每根光纤都有能力在量子位元之间传输数千个信号。

这项研究发表在自然(www.doi.org/10.1038 / s41586-021-03268-x)。


photonics.com.
2021年3月
词汇表
量子
波的能量可以分割成的最小分量。量子与波的频率成正比。看到光子。
微波
频率范围在1000兆赫(1 GHz)到100,000兆赫(100 GHz)之间的一种电磁波。这相当于波长谱,即在一毫米到一米之间,又称红外线和短波谱。
研究与技术 光纤与通信 光纤 量子 量子计算机 量子计算 普遍的 自然 NIST 超导 超导芯片 超导电路 超导电路 量子位 微波

注释
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