应用物理学家创建了一种光子路由器，可以连接到量子网络，以创建对噪声敏感的微波量子计算机的稳健光学接口。
哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的应用物理学家们创造了一种光子路由器，可以接入量子网络，以创建对噪声敏感的微波量子计算机的稳健光学接口。
这一突破是未来实现模块化、分布式量子计算网络的关键一步，这些网络利用现有的电信基础设施。今天的光纤网络由数百万英里的光纤组成，以光脉冲或光子的形式在全球信息计算集群之间传递信息，速度之快令人瞩目。
由Marko Lončar领导，他是SEAS的电气工程与应用物理学的Tiantsai Lin教授，团队创造了一种微波-光学量子换能器，这是一种为使用超导微波量子比特作为其最小操作单元（类似于经典比特的1和0）的量子处理系统设计的设备。研究成果已发表在Nature Physics期刊上。
这款换能器有效地充当了光子的路由器，弥补了微波光子与光子之间的巨大能量差距，从而能够利用远距离产生的光信号控制微波量子比特。这一设备是首个仅用光控制超导量子比特的同类产品。
论文的第一作者和研究生Hana Warner表示，这一换能器为构思量子网络时利用光的力量提供了一种方法。“这些系统的实现还有待时日，但为了实现它，我们需要寻找实用的方法来扩展和连接不同的组件，”Warner说。“光子是实现这一目标的最佳方式之一，因为它们是优秀的信息载体，具有低损耗和高带宽。”
超导量子比特是为不同能量状态工程化的纳米制造电路，因其可扩展性、与现有制造过程的兼容性及保持量子叠加状态长时间进行计算的能力，成为新兴的量子计算平台。
但部署超导微波量子比特平台的一个主要瓶颈是必须在极低温度下工作，需要大型冷却系统，称为稀释制冷机。由于未来的量子计算需要数百万个量子比特来运行，单纯依赖微波频率信号扩展这些系统具有挑战性。解决方案在于利用微波量子比特进行量子操作，但使用光子作为高效和可扩展的接口。
这就是换能器的作用所在。
哈佛团队的这款2毫米光学设备形似回形针，坐落在一块约2厘米长的芯片上。它通过将微波谐振器与两个光学谐振器连接工作，允许能量的往返交换，这得益于其基本材料铌酸锂的特性。团队利用这种交换消除了对笨重、高温微波电缆来控制量子比特状态的需求。
用于控制的同一设备也可以用于读取量子比特状态，或直接形成链接，将复杂的量子信息转换为在量子计算节点之间稳定的光包。此项突破将我们带 closer towards a world with superconducting quantum processors connected by low-loss, high-powered optical networks.
“我们换能器的下一步可能是在微波量子比特之间使用光可靠生成和分配纠缠，”Lončar说。
哈佛团队结合了他们在光学系统方面的专业知识，与Rigetti Computing的合作伙伴合作，后者提供了研究人员测试其换能器所用的超导量子比特平台，并规划了不同的实验。其他合作伙伴来自芝加哥大学和麻省理工学院。
芯片的制造是在哈佛大学纳米尺度系统中心进行的，该中心是国家纳米技术协调基础设施网络的成员，得到了国家科学基金会奖项No. 1541959的支持。
该工作的进一步支持来自空军研究实验室的奖项RCP06360；国家科学基金会的奖项EEC-1914583、OMA-2137723、OMA-1936118、ERC-1941583和OMA-2137642；国防高级研究计划局的奖项HR01120C0137；国防部的奖项FA8702-15-D-000；能源部的奖项DE-SC0020376；空军科学研究办公室的奖项FA9550-20-1、FA9550-19-1-0399和FA9550-21-1-0209；陆军研究办公室的奖项W911NF-20-1-0248、W911NF-23-1-0077和W911NF-21-1-0325；以及NTT研究和Packard基金会的奖项2020-71479。
