科学家实现跨越4K温区微波量子互联

2月27日，深圳国际量子研究院钟有鹏团队、俞大鹏院士团队在《自然—电子学》发表最新研究。研究团队超导量子芯片互联领域取得重要进展，首次实现了跨越4K（开尔文）温区的超导量子芯片间微波量子态传输与纠缠生成。

跨温区超导量子网络概念图。研究团队供图

微波技术是现代无线通信的基石，支撑着从卫星通信到移动网络的庞大信息基础设施。然而，当其应用从经典领域拓展至量子领域时，却面临着一个根本性的物理限制：微波光子的能量极低，例如5千兆赫微波光子的能量仅为约20微电子伏特，这一特性使其对环境中无处不在的热噪声极为敏感。

在室温下，黑体辐射谱在微波波段拥有数以千计的热光子，它们会轻易地淹没脆弱的单光子量子态。因此，为了进行有效的量子信息处理，基于微波频段的超导量子电路必须工作在接近绝对零度的极低温环境下，以近乎完全地抑制热激发的噪声。这一严苛的低温要求，虽然能在单个稀释制冷机内实现高精度的量子操控，却构成了构建可扩展微波量子网络的巨大障碍，制约了超导量子电路向分布式、模块化架构的发展，也阻碍了其与可在更高温度下工作的其他量子系统进行混合集成。

该研究中，科研团队提出并实现了一种抗热噪声的新型微波量子网络架构。他们利用1米长的铌钛超导传输线连接两个超导量子比特，在传输线温度高达 4 K的条件下仍可实现量子态传输与纠缠生成。通过可调耦合器将热通道与10mk（毫开尔文）冷负载强耦合，借助辐射冷却机制将通道的热占据数降低至 0.06 个光子，相较环境热噪声降低两个数量级。在量子态传输过程中，动态关闭耦合器，实现在通道重新热化前的时间内快速完成量子态传输和纠缠生成。

实验结果表明，在4 K通道温度下，该方法实现量子态传输过程保真度 58.5%、Bell 态保真度 52.3%，均突破经典极限。上述结果均未进行读取误差修正。经误差修正后，在1 K通道条件下，纠缠保真度可达 93.6%，达到容错互联的界面错误率阈值的水平，并观察到 Bell 不等式的显著违背，整体性能达到mK温区环境下同类实验的水平。