国家标准与技术研究所 NIST物理学家用光导纤维(箭头所示)代替这里所示的14根金属电缆来测量和控制超导量子位
信用:莱科克/NIST 制造具有巨大处理能力的超导量子计算机的秘密可能是一种普通的电信技术——光纤
美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家已经用光导纤维代替金属电线测量和控制了一个超导量子比特，为将一百万个量子比特而不是几千个量子比特装入量子计算机铺平了道路
3月25日出版的《自然》杂志描述了这次演示
超导电路是制造量子计算机的领先技术，因为它们可靠且易于大规模生产
但是这些电路必须在低温下工作，而且将它们连接到室温电子设备的方案很复杂，容易使量子位过热
一台能够解决任何类型问题的通用量子计算机，预计需要大约100万个量子比特
传统低温恒温器——超冷稀释冰箱——用金属线最多只能支持数千个
光纤是电信网络的主干，它有一个玻璃或塑料芯，可以在不导热的情况下传输大量光信号
但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息
所以光需要精确地转换成微波
为了解决这个问题，NIST的研究人员将这种纤维与其他一些标准部件结合在一起，这些部件可以在单个粒子或光子的水平上转换、传输和测量光，然后很容易将其转换成微波
该系统像金属线路一样工作，保持了量子比特脆弱的量子状态
NIST物理学家约翰·特费尔说:“我认为这一进展将产生巨大影响，因为它结合了光子学和超导量子位这两种完全不同的技术，来解决一个非常重要的问题。”
“光纤也可以在比传统电缆小得多的体积中承载更多的数据
" 通常，研究人员在室温下产生微波脉冲，然后通过同轴金属电缆将它们传送到低温维护的超导量子位
新的NIST装置使用光纤而不是金属将光信号引导到低温光电探测器，后者将信号转换回微波，并将其传送到量子位
出于实验对比的目的，微波可以通过光子链路或常规同轴线传送到量子位
光纤实验中使用的“transmon”量子位是一种被称为约瑟夫森结的装置，它嵌入在一个三维的容器或空腔中
这个结由被绝缘体隔开的两种超导金属组成
在某些条件下，电流可以穿过结，并可能来回振荡
通过施加一定的微波频率，研究人员可以在低能和激发态(数字计算中为1或0)之间驱动量子位
这些状态是基于库珀对的数量，库珀对是具有相反性质的束缚电子对，它们“隧穿”了结
NIST团队进行了两种类型的实验，利用光子链接产生微波脉冲，测量或控制量子位的量子状态
该方法基于两种关系:微波在谐振腔中自然来回反射的频率，称为共振频率，取决于量子位的状态
量子比特转换状态的频率取决于腔中光子的数量
研究人员通常用微波发生器开始实验
为了控制量子位的量子状态，电光调制器将微波转换成更高的光频率
这些光信号通过光纤从室温传输到4K(零下269摄氏度或零下452华氏度)到20毫开尔文(千分之一开尔文)，在那里它们到达高速半导体光电探测器，光电探测器将光信号转换回微波，然后发送到量子电路
在这些实验中，研究人员以量子比特的自然共振频率向其发送信号，使其进入所需的量子状态
当有足够的激光功率时，量子比特在它的基态和激发态之间振荡
为了测量量子位的状态，研究人员使用红外激光器通过调制器、光纤和光电探测器发射特定功率水平的光，以测量空腔的共振频率。
研究人员首先在激光功率被抑制的情况下启动量子位振荡，然后使用光子链路向腔中发送微弱的微波脉冲
腔频率在98%的时间里准确地指示了量子位的状态，与使用常规同轴线获得的精度相同
研究人员设想了一种量子处理器，其中光纤中的光在量子位之间传输信号，每根光纤都有能力在量子位之间传输数千个信号
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