任何量子系統(tǒng)都固有一定量的噪聲。例如，當(dāng)研究人員想要從量子計(jì)算機(jī)讀取信息時，量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)現(xiàn)象來解決某些對經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說過于復(fù)雜的問題，同樣的量子力學(xué)也會產(chǎn)生最低限度的不可避免的誤差，從而限制測量的準(zhǔn)確性。

科學(xué)家可以通過使用“參數(shù)”放大來“擠壓”噪聲來有效地繞過這一限制 - 一種量子現(xiàn)象，可以減少影響一個變量的噪聲，同時增加影響其共軛伙伴的噪聲。雖然噪聲總量保持不變，但它有效地重新分配。然后，研究人員可以通過僅查看低噪聲變量來進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。

來自麻省理工學(xué)院和其他地方的一組研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的超導(dǎo)參數(shù)放大器，該放大器以以前的窄帶擠壓器的增益工作，同時在更大的帶寬上實(shí)現(xiàn)量子擠壓。他們的工作首次展示了在高達(dá)1.75千兆赫的寬頻率帶寬上進(jìn)行擠壓，同時保持高度的擠壓(選擇性降噪)。相比之下，以前的微波參數(shù)放大器通常僅實(shí)現(xiàn)100兆赫茲或更低的帶寬。

這種新的寬帶設(shè)備可以使科學(xué)家更有效地讀取量子信息，從而產(chǎn)生更快，更準(zhǔn)確的量子系統(tǒng)。通過減少測量誤差，該架構(gòu)可用于多量子比特系統(tǒng)或其他需要極高精度的計(jì)量應(yīng)用。

“隨著量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，這些系統(tǒng)中的量子比特?cái)?shù)量增加到數(shù)千或更多，我們將需要寬帶放大。使用我們的架構(gòu)，只需一個放大器，理論上就可以同時讀出數(shù)千個量子位，“電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生Jack Qiu說，他是工程量子系統(tǒng)小組的成員，也是詳細(xì)介紹這一進(jìn)展的論文的主要作者。

資深作者是威廉·D·奧利弗，亨利·埃利斯·沃倫電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)以及物理學(xué)教授，量子工程中心主任和電子研究實(shí)驗(yàn)室副主任;以及電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的伊曼紐爾·E·蘭茲曼職業(yè)發(fā)展教授凱文·奧布萊恩。這篇論文將發(fā)表在《自然物理學(xué)》上。

擠壓低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的噪聲

超導(dǎo)量子電路，如量子比特或“量子比特”，在量子系統(tǒng)中處理和傳輸信息。該信息由包含光子的微波電磁信號攜帶。但是這些信號可能非常微弱，因此研究人員使用放大器來提高信號電平，以便進(jìn)行干凈的測量。

然而，被稱為海森堡不確定性原理的量子特性要求在放大過程中添加最少量的噪聲，從而導(dǎo)致背景噪聲的“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”。然而，一種稱為約瑟夫森參數(shù)放大器的特殊器件可以通過有效地將其重新分配到其他地方來將其“擠壓”到基本極限以下來降低增加的噪聲。

量子信息以共軛變量表示，例如電磁波的振幅和相位。然而，在許多情況下，研究人員只需要測量其中一個變量 - 振幅或相位 - 就可以確定系統(tǒng)的量子態(tài)。在這些情況下，他們可以“擠壓噪聲”，降低一個變量(例如振幅)的噪聲，同時提高另一個變量的噪聲，在這種情況下是相位。由于海森堡的不確定性原理，噪聲總量保持不變，但其分布可以以這樣一種方式塑造，即在其中一個變量上進(jìn)行噪聲較小的測量。

傳統(tǒng)的約瑟夫森參數(shù)放大器是基于諧振器的：它就像一個回聲室，中間有一個稱為約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)非線性元件。光子進(jìn)入回聲室并反彈以多次與同一個約瑟夫森結(jié)相互作用。在這種環(huán)境下，由約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)非線性得到增強(qiáng)，并導(dǎo)致參數(shù)放大和擠壓。但是，由于光子在退出之前多次穿過同一個約瑟夫森結(jié)，因此該結(jié)受到壓力。因此，基于諧振器的放大器可以容納的帶寬和最大信號都是有限的。

麻省理工學(xué)院的研究人員采取了不同的方法。他們沒有在諧振器中嵌入單個或幾個約瑟夫森結(jié)，而是將3多個結(jié)鏈接在一起，從而創(chuàng)建了所謂的約瑟夫森行波參數(shù)放大器。光子在從一個結(jié)點(diǎn)到另一個結(jié)點(diǎn)時相互作用，導(dǎo)致噪聲擠壓而不會對任何單個結(jié)施加壓力。

Qiu說，他們的行波系統(tǒng)可以承受比基于諧振器的約瑟夫森放大器高得多的信號，而沒有諧振器的帶寬限制，從而導(dǎo)致寬帶放大和高水平的擠壓。

“你可以把這個系統(tǒng)想象成一根很長的光纖，另一種類型的分布式非線性參數(shù)放大器。而且，我們可以推送到 10，000 個或更多路口。這是一個可擴(kuò)展的系統(tǒng)，而不是共振架構(gòu)，“他說。

幾乎無噪音放大

一對泵浦光子進(jìn)入設(shè)備，作為能量源。研究人員可以調(diào)整來自每個泵浦的光子的頻率，以產(chǎn)生所需的信號頻率的擠壓。例如，如果他們想擠壓6千兆赫的信號，他們會調(diào)整泵，分別發(fā)送5千兆赫和7千兆赫的光子。當(dāng)泵浦光子在設(shè)備內(nèi)部相互作用時，它們結(jié)合產(chǎn)生放大信號，其頻率正好位于兩個泵浦的中間。這是一種更通用現(xiàn)象的特殊過程，稱為非線性波混合。

“噪聲的擠壓是由參數(shù)過程中產(chǎn)生的雙光子量子干涉效應(yīng)引起的，”他解釋說。

這種架構(gòu)使他們能夠?qū)⒃肼暪β式档偷交玖孔訕O限以下10倍，同時以3.5千兆赫的放大帶寬工作 - 頻率范圍幾乎比以前的設(shè)備高兩個數(shù)量級。

Qiu說，他們的設(shè)備還展示了糾纏光子對的寬帶生成，這將使研究人員能夠以更高的信噪比更有效地讀取量子信息。

雖然邱和他的合作者對這些結(jié)果感到興奮，但他說仍有改進(jìn)的余地。他們用于制造放大器的材料會引入一些微波損耗，這會降低性能。展望未來，他們正在探索可以改善插入損耗的不同制造方法。

“這項(xiàng)工作并不意味著是一個獨(dú)立的項(xiàng)目。如果將其應(yīng)用于其他量子系統(tǒng)，它具有巨大的潛力 - 與量子比特系統(tǒng)接口以增強(qiáng)讀出，或糾纏量子比特，或擴(kuò)展用于暗物質(zhì)檢測的設(shè)備工作頻率范圍并提高其檢測效率。這基本上就像是未來工作的藍(lán)圖，“他說。

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