在未来，人们有望凭借量子计算机解决材料科学和密码学中那些在现在看来非常具有挑战性的任务，这些任务即使是用最强大的传统超级计算机也无法实现。然而，量子计算机的发展也面临着众多的技术挑战和限制，限制了其在实际应用中的进展和成熟。其中，量子计算机的错误校正直接影响到量子计算机计算结果的准确性。为了解决这一问题，则需要数百万个高质量的量子比特来确保量子计算机的计算结果准确。
目前，科学家们不断探索新的量子比特实现方法，比如超导量子比特、离子阱量子比特和光量子比特等。其中超导量子比特虽然目前比特数只有几百个，但其发展速度非常快。该技术的优点是计算速度快，与微芯片制造兼容，但对超冷温度的需求最终限制了处理器的尺寸，并且一旦冷却，就无法进行任何物理访问。不过具有多个单独冷却处理器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，也就是处理器内超导量子比特之间的天然信息载体，不适合在处理器之间的室温环境中传输。因为室温环境很容易扰乱微波光子及其脆弱的量子特性。
为了解决这一问题，奥地利科学技术研究所(ISTA) Fink所在的研究团队与维也纳工业大学和慕尼黑工业大学的研究团队通过合作首次成功将低能微波与高能光子纠缠在一起。这两种光子的纠缠量子态是通过室温链路连接超导量子计算机的基础，它不仅对扩大现有量子硬件具有重要意义，还能促进实现其他量子计算平台的互连。该研究以“ Entangling microwaves with light”为题发表在 Science上( DOI: 10.1126/science.adg3812)。
图1 具有稀释制冷机、超导腔和电光晶体的实验装置分裂和纠缠光子
Fink团队博士后、论文第一作者之一的Rishabh Sahu表示，任何量子比特的主要问题之一都是噪声，它可以被认为是对量子比特的任何干扰，其主要来源是量子比特所基于的材料的热量。
由于热能会使物质中的原子迅速相互碰撞，从而破坏诸如量子纠缠之类的量子特性，最终导致量子比特不适合计算。因此，为了保持系统稳定性，量子计算机必须将其量子比特与环境隔离，冷却到极低的温度，并保持在真空中以保持其量子特性。
对于超导量子比特而言，通常是在一个悬挂在天花板上的特殊圆柱形装置中进行，该装置被称为“稀释致冷机”， 计算的“量子”部分发生在其中。在其最底部的量子位被冷却到仅比绝对零度高千分之几度——大约是零下273摄氏度。Sahu兴奋地补充道，“这使得我们实验室里的致冷机成为整个宇宙中最冷的地方，甚至比太空本身还冷。”
冰箱必须连续不断地冷却量子比特，但添加的量子比特和相关的控制线路越多，产生的热量就越多，保持量子计算机的冷却就越困难。Sahu称，单个量子计算机大约是一千个超导量子比特，这就已经达到了冷却极限。因此，仅仅扩大规模并不是构建更强大量子计算机的可持续解决方案。Fink补充道，团队正在设计性能更强大的量子计算机，但每次组装和冷却就像火箭发射一样，只有在处理器冷却时才能发现问题，而没有能力提前干预和纠正这些问题。
Fink团队博士后、论文第一作者之一的Liu Qiu表示，如果稀释制冷机不能同时充分冷却1000多个超导量子位，则需要连接几台更小的量子计算机一起工作，这就需要一个量子网络。
每台量子计算机都有自己的制冷机，如果想要将两台超导量子计算机连接在一起，并不是用电缆连接它们那么简单，还需要特别考虑，以保持量子比特的量子性质。
超导量子位利用微小的电流工作，电流在电路中以大约每秒100亿次的频率来回移动。问题是，即使是少量的热量也很容易干扰单个微波光子及其量子特性，而这些特性是连接两台独立量子计算机中的量子比特所必需的。当通过冰箱外的电缆时，环境的热量会使它们失效。
Qiu解释道，他们无需在量子计算机中对易受噪声影响的微波光子进行计算，而是希望使用频率更高的类似可见光的光子来将量子计算机连接在一起。这些光子与通过光纤传输到人们家中的高速互联网的光子相同。这种技术很容易理解，而且不容易受到热噪声的影响。其关键挑战在于如何让微波光子与光学粒子相互作用，以及如何将它们纠缠在一起。
在最新的研究中，研究人员利用了一种特殊的电光器件：一种由非线性晶体制成的光学谐振器，它在电场的作用下会改变其光学特性。超导腔容纳了这种晶体并增强了这种相互作用。Sahu和Qiu通过激光在不到一微秒的时间内将数十亿光子送入电光晶体。这样，一个光学光子分裂成一对新的纠缠光子:一个光学光子的能量仅略低于原始光子，另一个微波光子的能量则低得多。
这个实验的挑战在于，光学光子的能量大约是微波光子的2万倍。Sahu解释道，它们将大量能量和热量带入设备，然后破坏微波光子的量子特性。为了解决这个问题，与以前的尝试相比，研究人员建造了一个更大的超导设备。这不仅避免了超导性的崩溃，而且有助于更有效地冷却设备，并在短时间内保持光学激光脉冲的低温。研究人员表示，该研究的突破性在于离开装置的光学光子和微波光子是相互纠缠的。这已经通过测量两个光子电磁场的量子涨落之间的相关性得到了验证，种相关性比经典物理学的届时更有说服力。Fink称，他们团队是首次将能量差如此大的两种不同光子纠缠在一起，为创建量子网络奠定了关键基础。
原标题：微波光子和光学光子首次实现纠缠
