量子技术对捕获的光进行了前所未有的控制

查尔姆斯理工大学的量子技术研究人员已成功开发出一种控制三维空腔中光量子态的技术。除了创造先前已知的状态外，研究人员还首次展示了长期寻求的立方相状态。这一突破是朝着量子计算机高效纠错迈出的重要一步。

“我们已经证明，我们的技术与世界上最好的技术不相上下，”Chalmers实验量子物理学研究小组负责人、该研究的资深作者之一西蒙娜·加斯帕里内蒂(SimoneGasparinetti)说。

正如传统计算机基于可以取值0或1的位一样，构建量子计算机的最常见方法也使用类似的方法。具有两种不同量子态的量子力学系统，称为量子比特(qubits)，被用作构建块。一个量子态被赋值为0，另一个被赋值为1。然而，由于叠加的量子力学状态，量子比特可以同时呈现状态0和1，从而允许量子计算机处理大量数据解决当今超级计算机无法解决的问题的可能性。

有史以来第一次立方相状态

实现实用的量子计算机的一个主要障碍是用于编码信息的量子系统容易受到噪声和干扰，从而导致错误。纠正这些错误是量子计算机发展的关键挑战。一种有前途的方法是用谐振器代替量子比特——量子系统不仅具有两个已定义的状态，而且具有非常多的状态。这些状态可以比作吉他弦，它可以以许多不同的方式振动。该方法称为连续变量量子计算，可以在谐振器的多个量子力学状态下对值1和0进行编码。

然而，控制谐振器的状态是全世界量子研究人员都在努力解决的挑战。查默斯的结果提供了一种方法。查尔默斯开发的这项技术使研究人员能够生成几乎所有先前证明的光量子态，例如薛定谔的猫或Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)态，以及立方相态，一种先前仅在理论上描述的状态。

“立方相态是许多量子研究人员二十年来一直试图在实践中创造的东西。我们现在第一次设法做到这一点的事实证明了我们的技术有多好，但最重要的是先进之处在于，有这么多不同复杂性的状态，我们已经找到了一种可以创造任何一种状态的技术，”微技术与纳米科学系的博士生、该研究的主要作者MarinaKudra说。

提高门速度

谐振器是一个由铝制成的三维超导腔。通过与次级超导电路的相互作用产生被困在谐振器内的光子的复杂叠加。

光子的量子力学特性是通过应用一组称为门的电磁脉冲来控制的。研究人员首先成功地使用一种算法来优化特定序列的简单位移门和复杂的SNAP门，以生成光子的状态。当复杂的门被证明太长时，研究人员找到了一种使它们更短的方法，使用最佳控制方法来优化电磁脉冲。

“我们的SNAP门速度的大幅提高使我们能够减轻量子控制器中退相干的影响，将这项技术向前推进了一步。我们已经证明我们可以完全控制我们的量子力学系统，”SimoneGasparinetti说。

或者，更诗意地说：

“我在一个它茁壮成长的地方捕捉到了光线，并以一些真正美丽的形式塑造了它，”玛丽娜·库德拉说。

实现这一结果还取决于物理系统的高质量(铝谐振器本身和超导电路)。MarinaKudra之前已经展示了如何通过首先铣削铝腔来创建铝腔，然后通过以下方法使其非常干净将其加热至500摄氏度并用酸和溶剂洗涤。将电磁门应用于腔体的电子设备是与瑞典公司互调产品合作开发的。

WACQT研究计划的研究部分

该研究是在瓦伦堡量子技术中心(WACQT)的框架内在查尔默斯进行的，这是一个综合研究计划，其目的是使瑞典在量子技术方面的研究和行业处于领先地位。该计划由PerDelsing教授领导，主要目标是开发量子计算机。

“在查尔默斯，我们拥有构建量子计算机的完整堆栈，从理论到实验，都在一个屋檐下。解决纠错的挑战是大型量子计算机发展的主要瓶颈，我们的结果证明了我们的文化和工作方式，”PerDelsing说。