建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常见的电信技术——光纤。美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家已经使用光纤而不是金属线测量和控制了超导量子位(qubit)，将一百万个量子位装入量子计算机，而不仅仅是数千个。《自然》杂志3月25日刊对这次演示进行了描述。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批量生产。但这些电路必须在低温下运行，而且将它们与室温电子设备连接的方案很复杂，而且容易使量子比特过热。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。常规冷柜：金属布线的超低温稀释冷柜最多只能支持几千个。光纤是电信网络的主干，具有玻璃或塑料芯，可以承载大量光而不传导热量。但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。因此，需要将光精确地转换成微波。为了解决这个问题，NIST研究人员将光纤与许多其他标准组件结合起来，这些标准组件可以转换、传输和测量单个粒子或光子级别的光，然后可以轻松地将其转换为微波。该系统与金属线一样工作，并保留了量子比特脆弱的量子态。通常，研究人员在室温下产生微波脉冲，并通过同轴金属电缆将它们传送到保持在低温下的超导量子位。NIST的新方法使用光纤而不是金属将光信号引导至低温光电探测器，该探测器将信号转换回微波并将其传递给量子比特。出于实验比较目的，可以通过光子链路或普通同轴线将微波传送到量子位。光纤实验中使用的“transmon”量子位是一种称为约瑟夫森结的装置，嵌入三维能量库或空腔中。该结由两个被绝缘体隔开的超导金属组成。在某些条件下，电流可以通过该结点并可能来回振荡。通过应用特定的微波频率，研究人员可以在低能量和激发态（数字计算中为1或0）之间驱动量子比特。这些状态基于“穿过”约瑟夫森结的库珀对数量，具有相反属性的束缚电子对。NIST团队进行了两种类型的实验，使用光子链路生成微波脉冲来测量或控制量子比特的量子态。该方法基于两个关系。微波在空腔中自然来回反弹的频率，称为共振频率，取决于量子位的状态。量子位切换状态的频率取决于腔中的光子数量。研究人员使用微波发生器开始了实验。为了控制量子比特的量子态，称为电光调制器的设备将微波转换为更高的光频率。这些光信号通过光纤从室温传播到4开尔文（负269摄氏度或负452华氏度）到20毫开尔文（开尔文的千分之一），在那里它们落入高速半导体光电探测器，将光转换为返回微波的信号然后被发送到量子电路。在这些实验中，研究人员以自然共振频率向量子位发送信号，使其进入所需的量子态。当有足够的激光功率时，量子位会在其基态和激发态之间振荡。为了测量量子比特的状态，研究人员使用红外激光器以特定功率水平发射光，通过调制器、光纤和光电探测器来测量谐振腔的谐振频率。研究人员首先用抑制的激光功率启动量子比特的振荡，然后使用光子链路将微弱的微波脉冲发送到腔中。腔频率在98%的时间内准确地揭示了量子位的状态，与使用传统同轴线获得的精度相同。在此基础上，研究人员设想了一种量子处理器，其中光纤中的光将信号传输到量子位，每根光纤能够携带数万个信号进出量子位。
