超導(dǎo)超材料陷阱量子光

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)將信息存儲在一個(gè)位中，這是一個(gè)基本的邏輯單元，可以取值為0或1.量子計(jì)算機(jī)依靠量子位，也稱為“量子位”，作為它們的基本構(gòu)建塊。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的比特編碼單個(gè)值，可以是0或1.相比之下，量子比特的狀態(tài)可以同時(shí)具有0和1的值。這種特殊性質(zhì)是量子物理學(xué)基本定律的結(jié)果，導(dǎo)致量子系統(tǒng)的巨大復(fù)雜性。

量子計(jì)算是一個(gè)新興且快速發(fā)展的領(lǐng)域，它承諾利用這種復(fù)雜性來解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題。然而，量子計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是它需要使大量量子位一起工作 - 這很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)避免與外部環(huán)境的相互作用，這會破壞量子特性的量子比特。

來自O(shè)skar Painter實(shí)驗(yàn)室的新研究 ，John G Braun工程與應(yīng)用科學(xué)部應(yīng)用物理與物理教授，探討了使用超導(dǎo)超材料來克服這一挑戰(zhàn)。

超材料是通過將多種成分材料以小于光波長的比例組合而特別設(shè)計(jì)的，使其能夠操縱光或光子的粒子的行為。超材料可用于以幾乎任何所需的方式反射，轉(zhuǎn)向或聚焦光束。超材料還可以創(chuàng)建一個(gè)頻帶，其中光子的傳播變得完全被禁止，即所謂的“光子帶隙”。

加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)使用光子帶隙將微波光子捕獲在超導(dǎo)量子電路中，為構(gòu)建未來的量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一種很有前途的技術(shù)。

“原則上，這是一個(gè)可擴(kuò)展且靈活的基板，可在其上構(gòu)建用于互連某些類型量子比特的復(fù)雜電路，”負(fù)責(zé)該研究的組織負(fù)責(zé)人Painter說，該研究于9月12日在Nature Communications 上發(fā)表 。“不僅可以使用量子比特之間連接的空間排列，但也可以將連接設(shè)計(jì)為僅在某些所需頻率下發(fā)生。“

Painter和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)由超導(dǎo)體薄膜組成的量子電路 - 這種材料可以傳輸電流，幾乎沒有能量損失地追蹤到硅微芯片上。這些超導(dǎo)模式將微波從微芯片的一部分傳輸?shù)搅硪徊糠?。然而，使系統(tǒng)在量子狀態(tài)下工作的原因是使用所謂的約瑟夫森結(jié)，其由夾在兩個(gè)超導(dǎo)電極之間的原子級薄的非導(dǎo)電層組成。約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生了微波光子源，其具有兩種不同的和孤立的狀態(tài)，如原子的地面和激發(fā)的電子態(tài)，它們參與光的發(fā)射，或者，在量子計(jì)算的語言中，是量子比特。

“超導(dǎo)量子電路允許人們使用微波電路進(jìn)行基本的量子電動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，看起來它可能直接從你的手機(jī)中被拉出來，”Painter說。“我們相信用超導(dǎo)超材料增強(qiáng)這些電路可能會使未來的量子計(jì)算技術(shù)成為可能，并進(jìn)一步研究更復(fù)雜的量子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)超出了我們使用最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行建模的能力。”