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建造具有大規(guī)模處理能力的超導量子計算機的秘密可能是一種普通的電信技術(shù)--光纖。美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）的物理學家已經(jīng)測量并控制了一個使用光導纖維而不是金屬電線的超導量子位（qubit），將一百萬個qubit裝入量子計算機，而不是只有幾千個。3月25日出版的《自然》雜志對這一演示進行了描述。
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超導電路是制造量子計算機的一項領(lǐng)先技術(shù)，因為它們是可靠的，而且容易大規(guī)模生產(chǎn)。但是這些電路必須在低溫下工作，而且將它們與室溫電子裝置連接的方案很復雜，容易使量子比特過熱。一臺能夠解決任何類型問題的通用量子計算機，預計需要約100萬個量子比特。傳統(tǒng)的低溫箱：帶有金屬線路的超低溫稀釋冰箱最多只能支持數(shù)千個。
作為電信網(wǎng)絡主干的光纖，有一個玻璃或塑料芯，可以攜帶大量的光信號而不傳導熱量。但超導量子計算機使用微波脈沖來存儲和處理信息。因此，光需要被精確地轉(zhuǎn)換為微波。
為了解決這個問題，NIST的研究人員將光纖與其他一些標準組件結(jié)合起來，這些組件在單粒子或光子的水平上轉(zhuǎn)換、傳遞和測量光，然后可以很容易地將其轉(zhuǎn)換為微波。該系統(tǒng)的工作效果與金屬線路一樣好，并保持了量子比特的脆弱量子狀態(tài)。
通常情況下，研究人員在室溫下產(chǎn)生微波脈沖，然后通過同軸金屬電纜將它們傳遞給低溫保持的超導量子比特。NIST的新做法使用了一根光纖而不是金屬來引導光信號到低溫光電探測器，該探測器將信號轉(zhuǎn)換回微波并將其傳遞給量子比特。出于實驗比較的目的，微波可以通過光子鏈路或普通的同軸線路被輸送到量子比特。
光纖實驗中使用的 "transmon"量子比特是一個被稱為約瑟夫森結(jié)的裝置，它被嵌入到一個三維儲能器或腔體中。這個結(jié)由兩個被絕緣體隔開的超導金屬組成。在某些條件下，電流可以穿過該結(jié)，并可能來回振蕩。通過應用一定的微波頻率，研究人員可以在低能量和激發(fā)狀態(tài)（數(shù)字計算中的1或0）之間驅(qū)動該量子比特。這些狀態(tài)是基于庫珀對的數(shù)量，這是一種具有相反性質(zhì)的綁定電子對，它們已經(jīng) "穿越"了約瑟夫森結(jié)。
NIST團隊進行了兩種類型的實驗，利用光子鏈接產(chǎn)生微波脈沖，測量或控制量子比特的量子狀態(tài)。該方法是基于兩種關(guān)系。微波在腔體中自然來回反彈的頻率，稱為共振頻率，取決于量子比特的狀態(tài)。而量子比特切換狀態(tài)的頻率取決于腔體中的光子數(shù)量。
研究人員用一個微波發(fā)生器開始實驗。為了控制量子比特的量子狀態(tài)，被稱為電光調(diào)制器的裝置將微波轉(zhuǎn)換為更高的光學頻率。這些光信號通過光纖從室溫到4開爾文（零下269攝氏度或零下452華氏度）流向20毫開爾文（千分之一開爾文），在那里它們落入高速半導體光電探測器，后者將光信號轉(zhuǎn)換回微波，然后被發(fā)送到量子電路。
在這些實驗中，研究人員以量子比特的自然共振頻率向其發(fā)送信號，以使其進入所需的量子狀態(tài)。當有足夠的激光功率時，量子比特在其接地和激發(fā)狀態(tài)之間振蕩。
為了測量量子比特的狀態(tài)，研究人員使用紅外激光器以特定的功率水平發(fā)射光，通過調(diào)制器、光纖和光電探測器來測量腔體的共振頻率。
研究人員首先在抑制激光功率的情況下啟動了量子比特的振蕩，然后利用光子鏈路向空腔發(fā)送一個微弱的微波脈沖。腔體頻率在98%的時間內(nèi)準確地顯示了量子比特的狀態(tài)，與使用常規(guī)同軸線路獲得的精度相同。在這個基礎(chǔ)上，研究人員設(shè)想了一種量子處理器，其中光纖中的光向量子比特傳輸信號，每根光纖都有能力攜帶成千上萬的信號進出量子比特。
網(wǎng)站題目：建造具有巨大處理能力的超導量子計算機的秘密：光纖
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