苏黎世联邦理工学院(ETH)的物理学家展示了一条长达五米的微波量子链接,这是迄今为止最长的微波量子链接。它既可以用于未来的量子计算机网络,也可以用于基础量子物理学研究中的实验。

 

ETH | 最长的微波量子链接-量子客
来源:苏黎世联邦理工学院/ Heidi Hostettler

在Andreas Wallraff实验室中的ETH量子链接。中心的管包含了强冷却的波导,该波导通过微波光子将低温恒温器中的两个量子芯片连接起来。

 

合作就是一切,在量子世界中也是如此。为了将来构建功能强大的量子计算机,有必要将几台较小的计算机连接起来,以形成一种群集或局域网(LAN)。由于这些计算机处理的是同时包含逻辑值0和1的量子力学叠加态,因此它们之间的链接也应为“量子链接”。

迄今为止,这种最长的基于微波的链接长达5米,是在苏黎世联邦理工学院量子设备实验室的教授Andreas Wallraff的实验室中建造的。研究人员计划在丹佛举行的美国物理学会年会上发表其研究结果。由于目前的疫情,这次会议被临时取消了。取而代之的是,科学家们现在在一个虚拟替代会议上报告了他们的结果。

Wallraff解释说:“对我们而言,这确实是一个里程碑。因为现在我们可以证明量子局域网在原则上是可行的。在未来的10至20年中,量子计算机可能会越来越依赖于它们。” 当前,计算机具有几十个量子比特,但是几乎不可能容纳数十万个量子比特。原因之一是需要将基于超导电子振荡器的量子比特[例如Wallraff实验室的量子芯片中使用的量子比特(以及IBM和Google的)]冷却至接近绝对零的温度。这抑制了热扰动(thermal perturbations),而热扰动会导致量子态失去它们的叠加性——这就是所谓的退相干——从而导致量子计算出现错误。

 

极冷防止退相干

Wallraff研究小组的前博士生Philipp Kurpiers说:“我们面临的挑战在于如何将两个超导量子芯片连接起来,使它们能够在退相干最小的情况下交换叠加态。” 这是通过微波光子的方式实现的,微波光子由一个超导振荡器发射,由另一个振荡器接收。在这之间,它们飞过一个波导,该波导是一个宽度为几厘米的金属腔,也需要对其进行强烈冷却,以使光子的量子态不受影响。

每个量子芯片在低温恒温器(一种功能强大的冰箱)中使用压缩氦气和液氦冷却几天,冷却至比绝对零值高百分之几度。为此,创建了量子链接的五米波导配备了一个由几层铜板组成的外壳。这些铜板中的每一层都用作低温恒温器不同温度阶段的隔热板:-223度,-269度,-272度以及-273,1度。总共这些隔热板仅重约四分之一吨。

 

没有“桌面”实验

Wallraff说:“因此,这绝对不是一个可以放在一个小的工作台上的“桌面”实验。在这方面已经进行了大量的开发工作,而ETH是构建这样一个雄心勃勃的设备的理想场所。这是一种小型的CERN,最初不得不花几年时间来建立它,以便现在能够用它做一些有趣的事情。除了进行实验的3名博士生之外,还有几名工程师和技术人员也参与了制造和构建量子链路的工作,他们也在ETH和Paul Scherrer研究所(PSI)的工作坊中工作。

 

ETH | 最长的微波量子链接-量子客
来源:苏黎世联邦理工学院/ Heidi Hostettler

科学家Philipp Kurpiers,Paul Magnard,JosuaSchär和Simon Storz(从左到右)位于量子链接的前面。在背景的左侧和右侧,可以看到两个低温恒温器。

 

ETH的物理学家不仅证明量子链接可以被充分冷却,而且还证明了可以将其实际用于在两个量子芯片之间可靠地传输量子信息。为了证明这一点,他们通过量子链接在两个芯片之间创建了一个纠缠态。在这种纠缠态下,一个量子比特的测量瞬间影响另一个量子比特的测量结果,这种纠缠态也可用于基础量子研究的测试。在那些“贝尔测试”中,量子比特必须彼此足够远,这样才能排除以光速传递信息的可能性。

当Wallraff和他的合作者使用新的链接进行实验时,他们已经开始研究更长的量子链接。一年前,他们已经能够充分冷却10米长的链接,但没有对其进行任何量子实验。现在他们正在研究30米的量子链接,在ETH有一个专门为它准备的房间。

 

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作者:量子计算最前沿     编辑:Sukura