對于超導(dǎo)量子比特，這發(fā)生在懸掛在天花板上的特殊圓柱形裝置中，稱為“稀釋冰箱”，其中進(jìn)行計(jì)算的“量子”部分。其最底部的量子比特被冷卻到僅比絕對零度溫度高出千分之幾度 - 大約-273攝氏度。Sahu興奮地補(bǔ)充道，“這使得我們實(shí)驗(yàn)室里的這些冰箱成為整個(gè)宇宙中最冷的地方，甚至比太空本身還要冷。

冰箱必須持續(xù)冷卻量子比特，但添加的量子比特和相關(guān)控制線路越多，產(chǎn)生的熱量就越多，保持量子計(jì)算機(jī)冷卻的難度就越大�！翱茖W(xué)界預(yù)測，在一臺量子計(jì)算機(jī)中大約有1個(gè)超導(dǎo)量子比特時(shí)，我們達(dá)到了冷卻的極限，”Sahu警告說�！皟H僅擴(kuò)大規(guī)模并不是構(gòu)建更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的可持續(xù)解決方案。

芬克補(bǔ)充說：“更大的機(jī)器正在開發(fā)中，但每次組裝和冷卻時(shí)間都變得與火箭發(fā)射相當(dāng)，只有當(dāng)處理器變冷并且沒有能力干預(yù)和糾正這些問題時(shí)，你才會發(fā)現(xiàn)問題。

量子波

“如果稀釋冰箱不能一次充分冷卻超過一千個(gè)超導(dǎo)量子比特，我們需要連接幾臺較小的量子計(jì)算機(jī)一起工作，”Fink小組的博士后，新研究的另一位第一作者劉秋解釋說。“我們需要一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)。

將兩臺超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)連接在一起，每臺計(jì)算機(jī)都有自己的稀釋冰箱，并不像用電纜連接它們那么簡單。需要特別考慮連接以保持量子比特的量子性質(zhì)。

超導(dǎo)量子比特與微小的電流一起工作，這些電流以每秒約一百億次的頻率在電路中來回移動。它們使用微波光子（光粒子）相互作用。它們的頻率與手機(jī)使用的頻率相似。

實(shí)驗(yàn)裝置與稀釋箱，超導(dǎo)腔和電光晶體分裂和糾纏光子。

問題在于，即使是少量的熱量也很容易干擾單個(gè)微波光子及其在兩個(gè)獨(dú)立的量子計(jì)算機(jī)中連接量子比特所需的量子特性。當(dāng)穿過冰箱外的電纜時(shí)，環(huán)境的熱量會使它們變得無用。

“而不是我們需要在量子計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算的易受噪聲影響的微波光子，我們希望使用類似于可見光的更高頻率的光學(xué)光子將量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)在一起，”Qiu解釋說。這些光子與通過光纖發(fā)送的光子相同，這些光纖將高速互聯(lián)網(wǎng)傳送到我們的家庭。這項(xiàng)技術(shù)很好理解，更不容易受到熱噪聲的影響。Qiu補(bǔ)充說：“挑戰(zhàn)是如何讓微波光子與光學(xué)光子相互作用以及如何糾纏它們。

分光

在他們的新研究中，研究人員使用了一種特殊的電光器件：一種由非線性晶體制成的光學(xué)諧振器，它在電場存在下會改變其光學(xué)特性。超導(dǎo)腔容納這種晶體并增強(qiáng)這種相互作用。

Sahu和Qiu使用激光將數(shù)十億個(gè)光子發(fā)送到電光晶體中，持續(xù)幾分之一微秒。通過這種方式，一個(gè)光學(xué)光子分裂成一對新的糾纏光子：一個(gè)光學(xué)光子的能量僅比原始光子略少，而微波光子的能量要低得多。

Sahu解釋說：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)是光子的能量比微波光子多20，000倍，它們將大量能量和熱量帶入設(shè)備，然后可以破壞微波光子的量子特性。我們已經(jīng)工作了幾個(gè)月來調(diào)整實(shí)驗(yàn)并獲得正確的測量結(jié)果。為了解決這個(gè)問題，研究人員建造了一個(gè)比以前的嘗試更笨重的超導(dǎo)裝置。這不僅避免了超導(dǎo)性的破壞，而且還有助于更有效地冷卻設(shè)備，并在光學(xué)激光脈沖的短時(shí)間內(nèi)保持低溫。”

Qiu解釋說：“突破在于離開設(shè)備的兩個(gè)光子 - 光學(xué)和微波光子 - 糾纏在一起。這已經(jīng)通過測量兩個(gè)光子電磁場的量子漲落之間的相關(guān)性來驗(yàn)證，這些量子漲落比經(jīng)典物理學(xué)所能解釋的要強(qiáng)�！�

芬克說：“我們現(xiàn)在是第一個(gè)糾纏如此不同能量尺度的光子的人。這是創(chuàng)建量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步，對其他量子技術(shù)也很有用，比如量子增強(qiáng)傳感�！�

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