量子计算具有解决诸如材料科学和密码学等领域的复杂问题的潜力，这些问题即便是未来最强大的传统超级计算机也难以触及。然而，要实现这一壮举很可能需要数百万个高质量的量子比特，鉴于所需的错误纠正。
超导处理器的进展迅猛，目前的量子位数已达数百。这项技术的魅力在于其快速的计算速度和与微芯片制造的兼容性。然而，对极低温度的要求限制了处理器的尺寸，并且在冷却后无法进行任何物理接触。
一台具有多个分别冷却的处理节点的模块化量子计算机可以解决这个问题。然而，单个微波光子——作为超导量子位在处理器之间传递信息的本地信息携带者——并不适合在处理器之间的室温环境中传输。常温下的世界充满了热量的喧嚣，这很容易干扰微波光子及其脆弱的量子性质，如纠缠态。
奥地利科技学院（ISTA）的Fink小组研究人员与维也纳科技大学和慕尼黑工业大学的合作伙伴共同展示了克服这些挑战的重要技术步骤。他们首次成功将低能量微波与高能量光子纠缠在一起。
这样一种纠缠态的两个光子对是实现通过室温连接超导量子计算机的基础。这不仅对于扩展现有量子硬件具有重要意义，而且也为实现与其他量子计算平台的互联以及新颖的量子增强远程感知应用提供了必要条件。该研究成果已在《科学》期刊上发表。
里萨布·萨胡，芬克小组的博士后，也是这项新研究的第一作者之一，在解释时表示：“对于任何量子比特而言，一个重大问题就是噪音。噪音可以被视为对量子比特的任何干扰。热量是噪音的重要来源之一，其产生源于量子比特所依托的材料。”
热量引发物质中的原子快速摩擦碰撞。这会对量子特性如纠缠造成干扰，从而使得量子比特在计算中无法胜任。因此，为了保持正常运行，量子计算机必须将其比特与环境隔离开来，冷却至极低温度，并在真空环境中保护其量子特性。
对于超导量子比特来说，这发生在一个特殊的圆柱形设备中，它悬挂在天花板上，被称为"稀释冰箱"，在这里进行了"量子"计算的部分。它的底部的量子比特被冷却到接近绝对零度的几千分之几度——大约是零下273摄氏度。Sahu兴奋地补充说："这使得我们实验室的这些冰箱成为整个宇宙中最寒冷的地方，甚至比太空本身还要冷。"
冰箱需要不断冷却量子位，但随着量子位的增加和相关的控制电缆的添加，会产生越来越多的热量，让量子计算机保持冷却变得越来越困难。Sahu警告说：“科学界预测，在单个量子计算机中拥有约1,000个超导量子位时，我们就会达到冷却的极限。” “仅仅扩大规模并不能构建更强大的量子计算机，这并不可持续。”
Fink补充道：“尽管正在开发更大的机器，但每次组装和冷却过程都相当于一次火箭发射，只能在处理器冷却后才能发现问题，且无法干预和纠正这些问题。”
量子波动
“如果一个稀释冰箱无法同时有效冷却超过一千个超导量子比特，我们就需要将几台较小的量子计算机连接起来共同工作。”刘秋，新研究的博士后研究员兼第一作者之一在Fink小组中解释道，“我们将需要一个量子网络。”
连接两台超导量子计算机，并不像用电缆把它们连接在一起那样简单。这种连接需要特殊的考虑和处理，以维护量子比特的量子本性。
超导量子比特通过在电路中以每秒约十亿次的频率前后移动的微小电流来工作。它们使用微波光子进行相互作用——光的粒子。它们的频率与手机使用的频率相似。
问题在于，即使一点点热量也会轻易干扰单个微波子的量子特性，而这些特性是连接两台分别的量子计算机所需的qubit的关键。当它们通过冰箱外的电缆传输时，外部环境的热量会使它们失去作用。
"“与我们在量子计算机内部需要用来进行计算的噪音频繁的微波光子不同，我们希望使用具有更高频率的光学光子，类似于可见光，将量子计算机网络连接在一起。”邱解释道。这些光学光子与通过光纤传输高速互联网到我们家中的光学光纤是相同的。这项技术被广泛理解，并且更不容易受到热量造成的干扰。邱补充道：“挑战在于如何让微波光子与光学光子相互作用并使它们纠缠在一起。”
分光
在他们的新研究中，研究人员使用了一种特殊的电光装置：一种由非线性晶体制成的光学谐振器，在电场的存在下改变其光学特性。一个超导腔体容纳着这个晶体，并提升这种相互作用。
萨胡和丘利利用激光将数十亿的光子注入电光晶体中，持续了不到一微秒的时间。如此一来，一个光子就会分裂成一对新的纠缠光子：一个光学光子，其能量仅略低于原始光子，还有一个能量要低得多的微波光子。
为了解决这个问题，研究人员构建了一个比之前尝试更加庞大的超导装置。这不仅避免了超导性的破坏，而且还可以更有效地冷却装置，并在光学激光脉冲的短时间内保持冷却。
“突破在于离开装置的两个光子——光学光子和微波光子——是纠缠的。”裘解释道。“通过测量这两个光子的量子涨落之间的相关性，我们已经验证了这一点，而这种相关性的强度超过了经典物理学所能解释的范畴。”
“我们现在是第一个纠缠具有如此巨大能量差异的光子。”Fink说，“这是构建量子网络的关键一步，也对其他量子技术非常有用，比如量子增强传感。”
