Nature：里程碑突破！
學研匯 技術中心
納米人
2023-07-10
特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。在為量子計算探索的眾多物理平臺中，超導量子位(qubit)處理器在過去十年中因其量子位數量和系統性能的增加而脫穎而出。例如，研究人員已經構建了具有高達數百個量子位的超導量子計算機，并使用超導量子位運行了許多量子算法，包括對物理系統進行建模和糾正量子錯誤，為有用的量子計算鋪平了道路。然而，這些量子位將量子信息編碼為存儲在必須冷卻至毫開爾文溫度的電路元件中的微量能量，并且在處理器之間傳輸量子信息具有挑戰性。有鑒于此，蘇黎世聯邦理工學院Andreas Wallraff等人報告了超導量子位設置，該設置可在30米的距離內以高保真度運行。該方法涉及一種稱為糾纏的量子特性，這是一種可能的量子信息傳輸策略的關鍵要素。作者還展示了量子位狀態的快速讀出，使他們能夠展示一項被稱為“無漏洞”貝爾實驗的實驗壯舉，這是使用超導量子位的首次成功嘗試。該工作表明，非局域性是量子信息技術中一種可行的新資源，可通過超導電路實現，在量子通信、量子計算和基礎物理學中具有潛在應用。借助超導電路，進行了貝爾測試，填補了公平采樣漏洞，在這項工作中，作者著手證明使用超導電路可以毫無漏洞地違反貝爾不等式。貝爾測試的單獨試驗在時間t?=0開始，選擇一對輸入位(a, b)，這決定了讀出兩個糾纏量子位中的每一個的量子態的基礎。為了支持測量獨立性假設，使用隨機數生成器(RNG)實現局部基選擇。對于貝爾測試的每次試驗，都會對A和B處的量子位的量子態進行高保真測量，通過統計分析輸入和輸出數據來彌補記憶漏洞。在使用一對糾纏的量子比特的貝爾測試中，貝爾不等式被違反的程度取決于糾纏態的并發C和單個量子比特讀出保真度Fr(A,B)。因此，只有當平均讀出保真度超過大約 84% 并且并發性C超過大約0.7時，才能違反CHSH不等式，因此Smax> 2。為滿足上述要求，先前的實驗在單個稀釋制冷機和使用低溫鏈路連接5米距離的兩個制冷機中實現了超導量子位的遠程糾纏，并發量足夠大。在這里展示的實驗中，在更大的線性距離上產生了糾纏。選擇構建一個容納超導的低溫系統線性物理距離大約d=30 m的電路，為貝爾測試提供了超過100ns的時間預算td。使用實現為超導鋁波導的低溫量子微波通道將兩個電路在30米的距離內相互連接，將波導冷卻到幾十毫開爾文的溫度，此時它的損耗小于每公里1 dB且它的熱占用可以忽略不計。為了成功運行該系統，使用高反射率材料結合超絕緣材料進行輻射屏蔽，最大限度地減少了每個溫度階段的熱負荷，構成了一個在毫開爾文溫度下運行的大型低溫系統。在所有實驗中，用于從波導中提取光子以表征糾纏的環行器引起的光子損失占主導地位。沿布洛赫球體的y軸旋轉每個量子位狀態，以最大化貝爾違規。在A點和 B 點糾纏遠距離的量子比特之后，將執行無漏洞貝爾測試的時間關鍵部分。作者詳細闡明了實驗過程，在每個 Bell 測試實驗中，記錄了所有n次試驗的基礎選擇(a, b)和相應的讀出結果(x, y)。在這些值的基礎上，計算了所有四種測量基礎選擇組合的平均值?xy?(a,b)，同時考慮了所有 n次試驗，從而彌補了公平抽樣漏洞。Marissa Giustina. Superconducting qubits cover new distances. Nature, 617, 254-256 (2023)https://doi.org/10.1038/d41586-023-01488-xStorz, S., Sch?r, J., Kulikov, A.et al. Loophole-free Bell inequality violation with superconducting circuits. Nature, 617, 265–270 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-05885-0
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