超導超材料陷阱量子光

傳統(tǒng)的計算機將信息存儲在一個位中，這是一個基本的邏輯單元，可以取值為0或1.量子計算機依靠量子位，也稱為“量子位”，作為它們的基本構建塊。傳統(tǒng)計算機中的比特編碼單個值，可以是0或1.相比之下，量子比特的狀態(tài)可以同時具有0和1的值。這種特殊性質(zhì)是量子物理學基本定律的結果，導致量子系統(tǒng)的巨大復雜性。

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

來自Oskar Painter實驗室的新研究 ，John G Braun工程與應用科學部應用物理與物理教授，探討了使用超導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計的，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，轉向或聚焦光束。超材料還可以創(chuàng)建一個頻帶，其中光子的傳播變得完全被禁止，即所謂的“光子帶隙”。

加州理工學院的團隊使用光子帶隙將微波光子捕獲在超導量子電路中，為構建未來的量子計算機創(chuàng)造了一種很有前途的技術。

“原則上，這是一個可擴展且靈活的基板，可在其上構建用于互連某些類型量子比特的復雜電路，”負責該研究的組織負責人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，但也可以將連接設計為僅在某些所需頻率下發(fā)生。“

Painter和他的團隊創(chuàng)建了一個由超導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，其由夾在兩個超導電極之間的原子級薄的非導電層組成。約瑟夫森結產(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，在量子計算的語言中，是量子比特。

“超導量子電路允許人們使用微波電路進行基本的量子電動力學實驗，看起來它可能直接從你的手機中被拉出來，”Painter說。“我們相信用超導超材料增強這些電路可能會使未來的量子計算技術成為可能，并進一步研究更復雜的量子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)超出了我們使用最強大的經(jīng)典計算機模擬進行建模的能力。”