科学家们在减少噪音的同时提升量子信号

这种超导参数放大器可以在比其他设计更宽的带宽上实现量子挤压，这可能导致更快和更准确的量子测量。资料来源：Jack Qiu, William D. Oliver, and Kevin P. O'Brien

一定量的噪音是任何量子系统所固有的。例如，当研究人员想从量子计算机中读取信息时，量子计算机利用量子力学现象来解决某些对经典计算机来说过于复杂的问题，同样的量子力学也赋予了最低程度的不可避免的误差，限制了测量的准确性。

科学家们可以通过使用 "参数 "放大来 "挤压 "噪声来有效地绕过这一限制--这种量子现象减少了影响一个变量的噪声，同时增加了影响其共轭伙伴的噪声。虽然噪音的总量保持不变，但它被有效地重新分配了。然后，研究人员可以通过只看低噪声的变量来进行更精确的测量。

来自麻省理工学院和其他地方的一个研究小组现在已经开发出一种新的超导参量放大器，它的工作增益与以前的窄带挤压器相同，同时在更大的带宽上实现量子挤压。他们的工作首次证明了在高达1.75千兆赫的宽频带上进行挤压，同时保持高度的挤压（选择性降噪）。相比之下，以前的微波参量放大器一般只实现了100兆赫兹或更少的带宽。

这种新的宽带设备可能使科学家能够更有效地读出量子信息，导致更快和更准确的量子系统。通过减少测量中的误差，这种架构可以被用于多量子系统或其他要求极度精确的计量应用。

"随着量子计算领域的发展，这些系统中的量子比特数量增加到数千或更多，我们将需要宽带放大。电气工程和计算机科学研究生Jack Qiu说，他是工程量子系统组的成员，也是详述这一进展的论文的主要作者。

论文的资深作者是亨利-埃利斯-沃伦电气工程和计算机科学及物理学教授、量子工程中心主任和电子学研究实验室副主任威廉-D-奥利弗；以及伊曼纽尔-E-兰兹曼电气工程和计算机科学职业发展教授凯文-P-奥布莱恩。该论文将发表在《自然-物理学》上。

将噪声压制在标准量子极限之下

超导量子电路，如量子比特或 "量子位"，在量子系统中处理和传输信息。这种信息是通过由光子组成的微波电磁信号携带的。但这些信号可能极其微弱，所以研究人员使用放大器来提高信号水平，以便可以进行干净的测量。

然而，一个被称为海森堡不确定性原理的量子特性要求在放大过程中加入最小量的噪声，导致背景噪声的 "标准量子极限"。然而，一个特殊的设备，称为约瑟夫森参数放大器，可以通过有效地将其重新分配到其他地方，将添加的噪声 "挤压 "到基本极限之下。

量子信息用共轭变量表示，例如，电磁波的振幅和相位。然而，在许多情况下，研究人员只需要测量这些变量中的一个--振幅或相位--来确定系统的量子状态。在这些情况下，他们可以 "挤压噪音"，降低一个变量的噪音，例如振幅，同时提高另一个变量的噪音，在这种情况下是相位。由于海森堡的不确定性原理，噪声的总量保持不变，但它的分布可以以这样一种方式来塑造，即在其中一个变量上可以进行较少噪声的测量。

一个传统的约瑟夫森参数放大器是基于谐振器的。它就像一个回音室，中间有一个叫做约瑟夫森结的超导非线性元件。光子进入回音室，在周围反弹，与同一个约瑟夫森结多次互动。在这种环境下，由约瑟夫森结实现的系统非线性得到了加强，并导致了参数放大和挤压。但是，由于光子在离开之前多次穿越同一个约瑟夫森结，该结受到了压力。因此，基于谐振器的放大器所能容纳的带宽和最大信号都是有限的。

麻省理工学院的研究人员采取了一种不同的方法。他们没有在谐振器内嵌入一个或几个约瑟夫森结，而是将3000多个结连在一起，创造了所谓的约瑟夫森行波参量放大器。光子在从一个结到另一个结的过程中相互作用，导致噪音挤压，而不会给任何一个结带来压力。

他们的行波系统可以容忍比基于谐振器的约瑟夫森放大器更高的功率信号，而没有谐振器的带宽限制，导致宽带放大和高水平的挤压，Qiu说。

"你可以把这个系统看作是一个真正的长光纤，另一种类型的分布式非线性参量放大器。而且，我们可以推到10,000个结点或更多。这是一个可扩展的系统，与谐振架构相反，"他说。

近乎无声的放大

一对泵浦光子进入该设备，作为能量源。研究人员可以调整来自每个泵的光子的频率，以产生所需信号频率的挤压。例如，如果他们想挤压一个6千兆赫的信号，他们将调整泵的频率，以分别发送5和7千兆赫的光子。当泵的光子在设备内相互作用时，它们结合起来产生一个放大的信号，其频率正好在两个泵的中间。这是一个更通用的现象的特殊过程，称为非线性波混合。

"他解释说："挤压噪声的结果是在参数化过程中产生的双光子量子干涉效应。

这种架构使他们能够将噪声功率降低到基本量子极限以下的10倍，同时以3.5千兆赫的放大带宽运行--这一频率范围几乎比以前的设备高两个数量级。

他们的装置还展示了纠缠光子对的宽带生成，这可以使研究人员以更高的信噪比更有效地读出量子信息，邱说。

尽管Qiu和他的合作者对这些结果感到兴奋，但他说仍有改进的余地。他们用来制造放大器的材料引入了一些微波损耗，这可能会降低性能。展望未来，他们正在探索不同的制造方法，可以改善插入损耗。

"这项工作并不意味着是一个独立的项目。如果你把它应用于其他量子系统，它具有巨大的潜力--与量子比特系统对接以增强读出，或纠缠量子比特，或扩大设备的工作频率范围以用于暗物质检测并提高其检测效率。他说："这本质上就像是未来工作的蓝图。

更多信息。Jack Qiu, Broadband squeezed microwaves and amplification with a Josephson travelling-wave parametric amplifier, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01929-w. www.nature.com/articles/s41567-022-01929-w

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。