首个光控超导量子比特换能器问世 为量子计算机提供强大光学接口

科技日报北京4月8日电 (记者张梦然)美国哈佛大学应用物理学家团队近期开发出一种微波光学量子换能器，或称光子路由器。这种创新装置专为采用超导微波量子比特作为基本操作单元的量子处理系统设计，旨在为噪声敏感的微波量子计算机提供一种强大的光学接口，并可集成到量子网络中。这一成果标志着向实现模块化、分布式量子计算网络迈出的重要一步。相关论文发表在最新的《自然·物理学》杂志上。

该换能器成功弥合了微波与光子之间的显著能量差异，从而使得利用数公里之外生成的光信号来控制微波量子比特成为可能。这也是首个仅依赖光学手段即可控制超导量子比特的设备。团队强调，该换能器提供了一种在规划量子网络时利用光学优势的方法。尽管这些系统的完全实现仍需时间，但为了达成这一目标，找到扩展和不同组件间交互的有效途径至关重要，而光子由于其低损耗和高带宽特性，被认为是最佳的信息载体之一。

这个2毫米大小、形似回形针的光学装置被安装在一个大约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起来工作，依靠基础材料铌酸锂的独特属性完成能量交换过程。这消除了使用庞大且发热的微波电缆控制量子比特状态的需求。

值得注意的是，这种用于控制的设备也可用来读取量子比特的状态或直接建立链接，将复杂的量子信息转化为量子计算节点间的稳定光包。这一进展使人们更加接近一个由低损耗、高功率光网络连接的超导量子处理器的世界。

团队表示，未来的研究计划包括利用光可靠地产生并分配微波量子比特间的纠缠态。

【总编辑圈点】

量子计算是极端轻巧的过程，但设备却颇为笨重。传统超导量子比特依赖微波控制，设备连着低温电缆，不好扩展，还会引入噪声信号。通过深度开发铌酸锂的特性，科学家用光子直接调控微波量子态，显著提升系统稳定性，为多芯片互联扫清障碍，加速实验室级量子系统向实用化演进。用量子计算机设计药物、模拟气候的那一天离我们越来越近了。这项突破也提示我们，量子革命不仅是算法竞赛，更依赖光电融合、材料创新等底层技术的持续突破。