通过光纤连接的量子位，量子计算取得了飞跃式发展，使得大规模网络量子系统的实现更具可行性。

量子比特是量子计算的基础构成单元，正推动整个科技行业的进步。其中，超导量子比特在大规模量子计算机领域极具潜力。然而，它们依赖于电信号，难以实现扩展。

奥地利科学技术研究所（ISTA）的物理学家们取得了一项突破性进展，他们成功地为超导量子比特开发了一种全光学读出技术，克服了一项关键的技术障碍。他们的研究成果最近发表在《自然·物理》杂志上，可能为构建更具可扩展性和高效的量子计算系统铺平道路。

可扩展量子计算机的竞赛仍在继续

在经历了一年的暴涨之后，就在国际量子科学与技术年开始仅仅几天后，量子计算股票突然停滞不前。这一放缓趋势是由英伟达（Nvidia）首席执行官黄仁勋（Jensen Huang）在2025年国际消费电子展（Consumer Electronics Show）上发表的主题演讲引发的，他在演讲中预测，“非常有用的量子计算机”还要等二十年才会出现。

尽管市场波动且业内对此持怀疑态度，但建造可扩展量子计算机的竞争依然激烈。这些机器有望在特定计算方面超越传统计算机，但在其真正实用之前，必须解决重大的技术难题。

量子硬件扩展取得突破

如今，奥地利科学院和技术学院（ISTA）约翰尼斯·芬克（Johannes Fink）教授团队中的一群物理学家，在使量子计算更具可行性方面迈出了关键一步。他们开发了一种方法，使量子比特能够通过光纤进行通信，从而大大降低了对笨重低温硬件的需求。该论文的共同第一作者、芬克团队的前博士生格奥尔格·阿诺德（Georg Arnold）解释说：“这种新方法可能会让我们增加量子比特的数量，使其在计算方面发挥作用。同时，它也为在室温下建立通过光纤连接的超导量子计算机网络奠定了基础。”

将光纤应用于量子系统所面临的挑战

虽然光纤凭借其相对于电传输的多种优势彻底改变了电信行业，实现了高速通信，但将光学应用于量子硬件却绝非易事。超导量子计算机在接近绝对零度的温度下利用材料的特殊物理特性，本身就是一个挑战。

为了实现超导量子位，需将微型电路冷却至极低温度，使其失去所有电阻，从而可以无限期地维持电流流动。“因此，超导量子位本质上就是电。要制造它们，我们必须达到仅比绝对零度高千分之几度的温度。这比太空还要冷，”阿诺德说道。

超导量子比特及其冷酷的现实

然而，电信号的带宽相对较低，这意味着它们每单位时间传输的信息量很少。它们很容易被噪声淹没，也容易出现信息丢失的情况。此外，所需的布线会产生大量热量。因此，“量子位读取”（即发送量子位反射的电信号来检测和测量量子位）需要巨大的低温冷却系统以及复杂且昂贵的电气元件来进行滤波和放大。

另一方面，高能光信号（例如电信波长）在细光纤中传播时的损耗微乎其微。此外，它们的散热量要低得多，带宽也要高得多。因此，如果量子位能够理解光信号的语言，那么利用光信号来突破超导量子硬件的极限将是非常理想的选择。

“转换”量子位的光信号

为了在超导量子硬件中实现全光读出，该团队需要找到一种将光信号“翻译”给量子比特并再翻译回来的方法。

“理想情况下，应该尝试去除所有电信号，因为所需的线路会将大量热量传输到量子位所在的冷却室内。但这是不可能的，”论文的共同第一作者、ISTA 芬克 (Fink) 小组的博士生托马斯·沃纳 (Thomas Werner) 说道。

因此，研究人员想到使用电光转换器将光信号转换为微波频率——一种量子比特可以理解的电信号。作为响应，量子比特反射一种微波信号，转换器可将其转换为光信号。

华纳（Werner）强调了这项任务的艰巨性：“我们证明了可以在不使量子比特失去超导性的情况下，将红外光发送到其附近。”使用电光换能器作为开关，研究小组得以将量子比特直接连接到外部世界。

突破量子比特壁垒：可拓展的未来

要实现量子计算机的“有效”计算，需要数千甚至数百万个量子比特。然而，由于检测和测量量子比特所需的低温冷却条件要求过高，基础设施建设难以跟上。阿诺德表示：“我们的技术可以大幅降低测量超导量子比特所产生的热负荷。这将使我们打破量子比特壁垒，增加可用于量子计算的量子比特数量。”

实现对超导量子位的全光学读出，还让研究人员得以摆脱设置中的许多笨重的电气组件。传统读出系统中的电信号极易出错，需要使用大量技术上受限且昂贵的电气组件进行大规模信号校正，而这些组件还必须冷却至低温环境。“因此，我们使用电光转换器将量子位与电气基础设施断开连接，从而得以用光学元件替换设置中所有剩余的部分，”沃纳说。这使得系统不仅更加稳健高效，还降低了成本。

用光连接量子计算机

这项技术有助于科学家利用光将多台量子计算机相互连接，从而进一步增加可用超导量子比特的数量。目前，量子计算机需要所谓的“稀释制冷机”为整个测量装置提供冷却，包括处理器模块之间所需的任何连接。

阿诺德（Arnold）说：“但这些稀释制冷机也有实际限制，不能做得无限大。”反过来，空间和冷却方面的限制又限制了可用量子位的数量。但研究人员表示，现在使用光纤将两个单独的稀释制冷机中的两个量子位连接起来可能已经成为现实。“基础设施已经具备，现在我们有了可以构建首个简单量子计算网络的技术，”阿诺德说。

量子网络的一步进展

ISTA的物理学家在开发超导量子硬件方面取得了重大里程碑式的进展，但还有很多工作要做。“我们的原型性能仍然相当有限，尤其是在所需和耗散的光功率方面。然而，它证明了全光学读出超导量子比特甚至是有可能的，这一原则意义重大。推动这项技术进一步发展将是业界的职责。”

参考文献：《全光超导量子位读取》，作者：乔治·阿诺德、托马斯·沃纳、里沙布·萨胡、拉基·N·卡普尔、刘秋、约翰内斯·M·芬克，发表于2025年2月11日，收录于《自然·物理》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41567-024-02741-4

资助方：欧洲研究理事会、“地平线2020”框架计划、奥地利科学基金、奥地利科学院（ÖAW）