增强量子计算信号，同时降低噪声

量子计算洞见

• 麻省理工学院的研究人员开发了一种超导参数放大器，它可以利用以前的窄带挤压器的增益，同时在更大的带宽上实现量子挤压。
• 随着摩尔定律开始发挥作用，这是使量子计算在未来可行的更大研究努力的一部分。

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一定数量的噪声是任何量子系统所固有的。例如，当研究人员想要读取信息量子计算机它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小程度的不可避免的误差，限制了测量的精度。

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——这是一种量子现象，它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。当噪声总量保持不变时，它被有效地重新分配。然后，研究人员可以通过只观察低噪声变量来进行更准确的测量。

来自麻省理工学院和其他地方的一组研究人员现在开发了一种新的超导参数放大器，它可以利用以前的窄带挤压器的增益，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 GHz的宽频带上压缩，同时保持高度压缩(选择性降噪)。相比之下，以前的微波参数放大器的带宽一般只有100 MHz或更低。

这种新型宽带设备可能使科学家能够更有效地读取量子信息，从而实现更快、更准确的量子系统。通过减少测量误差，该架构可用于多量子比特系统或其他要求极高精度的计量应用。

“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。有了我们的架构，理论上只需一个放大器，你就可以同时读出数千个量子比特，”电气工程和计算机科学研究生杰克·邱说，他是工程量子系统小组的成员，也是详细介绍这一进展的论文的主要作者。

资深作者是威廉·d·奥利弗(William D. Oliver)，亨利·埃利斯·沃伦(Henry Ellis Warren)电气工程、计算机科学和物理学教授，量子工程中心主任，电子研究实验室副主任;以及电气工程和计算机科学Emanuel E. Landsman职业发展教授Kevin P. O 'Brien。的纸发表在《自然物理》杂志上。

将噪声压缩到标准量子极限以下

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。这些信息是由包含光子的微波电磁信号携带的。但这些信号可能非常微弱，因此研究人员使用放大器来提高信号水平，这样就可以进行清晰的测量。

然而，一种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添加最小量的噪声，从而导致背景噪声的“标准量子极限”。然而，一种被称为约瑟夫森参数放大器的特殊设备可以通过有效地将噪声重新分布到其他地方，从而将噪声“挤压”到基本极限以下，从而减少增加的噪声。

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——就可以确定系统的量子态。在这些情况下，他们可以“压缩噪声”，为一个变量降低它，比如振幅，而为另一个变量提高它，在这种情况下，相位。由于海森堡的不确定性原理，噪声总量保持不变，但其分布可以以这样一种方式形成，即对其中一个变量进行更低噪声的测量。

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，中间有一个称为约瑟夫森结的超导非线性元件。光子进入回音室并反弹，多次与同一个约瑟夫森结相互作用。在这种环境下，由约瑟夫森结实现的系统非线性被增强，并导致参数放大和压缩。但是，由于光子在离开之前多次穿过同一个约瑟夫森结，因此该结受到了应力。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。

研究人员采取了不同的方法。他们没有在谐振器中嵌入单个或几个约瑟夫森结，而是将3000多个结连接在一起，形成了所谓的约瑟夫森行波参数放大器。当光子从一个结点移动到另一个结点时，它们会相互作用，从而产生噪声挤压，而不会对任何一个结点施加压力。

他们的行波系统可以在没有谐振器带宽限制的情况下，比基于谐振器的约瑟夫森放大器耐受更高功率的信号，从而导致宽带放大和高水平的压缩，邱说。

“你可以把这个系统想象成一根非常长的光纤，另一种类型的分布式非线性参数放大器。我们可以推动1万个或更多的连接。这是一个可扩展的系统，而不是共振架构，”他说。

几乎无噪声放大

一对泵浦光子进入设备，作为能量源。研究人员可以调整来自每个泵浦的光子频率，以产生所需信号频率的压缩。例如，如果他们想要压缩6千兆赫的信号，他们会调整泵浦，分别以5千兆赫和7千兆赫的频率发送光子。当泵浦光子在设备内部相互作用时，它们结合在一起产生一个频率正好在两个泵浦中间的放大信号。这是一种更普遍的现象——非线性波混合的特殊过程。

“噪声的压缩是由参数化过程中产生的双光子量子干涉效应造成的，”他说。

这种架构使他们能够在3.5 GHz的放大带宽下将噪声功率降低到基本量子极限以下10倍，这一频率范围几乎比以前的设备高了两个数量级。

他们的设备还展示了宽带产生纠缠光子对，这可以使研究人员以更高的信噪比更有效地读取量子信息，邱说。

虽然邱和他的合作者对这些结果感到兴奋，但他说仍有改进的空间。他们用来制造放大器的材料会引入一些微波损耗，这会降低性能。展望未来，他们正在探索不同的制造方法，以改善插入损耗。

“这项工作并不是一个独立的项目。如果将其应用于其他量子系统，它具有巨大的潜力——与量子比特系统接口以增强读数，或纠缠量子比特，或扩展设备工作频率范围以用于暗物质探测并提高其探测效率。这本质上就像是未来工作的蓝图，”他说。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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