光电信号的相互转换是全球互联网体系的基础。光电转换器常常用于扩大长途光纤通信系统的范围，或者实现在数据中心的计算机间高速光传输网络。同样地，得益于单光子从微波域到光域的相干转换，量子态也能够在远程连接的超导量子处理器之间进行交换。
最近，基于超导量子比特的快速，高精度的单量子比特和双量子比特逻辑门技术日趋完善，使其成为实现量子计算机的一条很有前途的解决方案。其中，超导体的低损耗环境和约瑟夫森效应带来的强单光子非线性特性为处理微波域中的量子信息提供了理想的搭配。然而我们知道，因在室温条件下的低损耗特点，光子才是量子网络的最佳选择。
尽管近来已经有很多方法实现频率从微波域(~5 GHz)到光域(~200 THz)的转换，但是，如何在这种转换过程中维持超导量子比特脆弱的量子态，仍然是一个巨大的难题。
近日，美国加州理工学院的Oskar Painter团队成功演示了超导量子比特从微波域跨频激发到光域的转换过程，从而证明这样的量子转换器可用于未来新型混合量子网络以及最终的分布式量子计算机。
艺术插图/来源：长春光机所，Light学术出版中心,，新媒体工作组
该项工作以“Superconducting qubit to optical photon transduction”为题发表在Nature杂志上。
在这项研究中，研究人员展示了一种超导量子比特——传输子（transmon）从微波域激发到光域的转换过程。通过创新性地使用中间过渡的纳米机械谐振器技术，即利用压电效应（Piezoelectric interaction）将量子比特的电激励首先转换为单个声子，随后再通过辐射压（Radiation pressure）将单个声子转换成光子，从而突破了阻碍未来量子计算发展的这一大难关。为了确认实验结果，研究人员还进一步利用通过光纤连接的单光子探测器，来记录该量子比特的量子拉比（Rabi）振荡，最终可以证实量子比特产生光子的过程。
令人更加兴奋的是，该实现过程全都是在芯片尺寸大小的平台上完成的。该平台将传输子（transmon）与压电-光机械（piezo-optomechanical）转换器集成在一起。
首先，通过使用脉冲的方式，经过压电交换操纵，能够相干地将量子比特的量子态转换为对应的纳米机械模式。
这样的方法分隔开转换过程中的电学部分和光学部分，避免了光感应噪音对超导电路的影响。研究人员发现，在转换过程中，总体添加噪音的光子水平为0.57±0.2，接近能够生成量子比特纠缠的阈值。
尽管该结果提供了将超导量子比特激发转换为光子的直接证据，但实验中的低光子通量无法直接验证发射光场中的量子统计。展望未来，如果可以继续改善设备参数，将使这项目前不可能的任务成为可能，并为超导量子比特远距离纠缠的系统级应用铺平道路，最终为未来光量子网络中超导处理器的更新发展提供技术保障。
文章信息
Mirhosseini, M., Sipahigil, A., Kalaee, M. et al. Superconducting qubit to optical photon transduction. Nature 588, 599–603 (2020).
文章地址
https://doi.org/10.1038/s41586-020-3038-6
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