光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。由于信息在光导纤维的传输损失比电在电线传导紫红的损耗低得多，更因为主要生产原料是丰富的硅材料，易于开采，价格便宜，从而使光纤用作长距离的信息传递介质，成为电信网络的骨干。随着光纤的价格进一步降低，光纤也被用于医疗和娱乐等用途。

发表在最新一期的《自然》杂志的一篇重磅研究论文中，美国国家标准技术研究院(NIST)的物理学家报告说，使用光纤而不是金属电缆，可用于提高超导量子计算机的性能。

构建具有强大计算与处理能力的超导量子计算机的秘密，可能来自普通的电信技术材料——光纤。如图所示使用光纤(箭头所示)代替了金属电缆来测量和控制超导量子计算机中的量子比特。

研究人员使用光导纤维而不是金属电线来测量和控制超导计算机的量子位，从而为将一百万个量子位包装到量子计算机中，而不只是一个量子计算机中铺平了道路。

超导电路是制造量子计算机的领先技术，因为它们较为可靠且易于批量生产。但是这些电路必须在低温下工作，将它们连接到室温电子设备的方案很复杂，容易使量子位过热。能够解决任何类型问题的通用量子计算机预计将需要大约一百万个量子位。具有金属线路的超冷低温恒温器最多只能支持数千个量子位。

光纤可以承载大量光信号而不传导热量。但是超导量子计算机使用微波脉冲来存储和处理信息。因此，需要将光精确地转换为微波。

为解决这个问题，研究人员将光纤与其他一些标准组件组合在一起，这些组件可以按单个粒子或光子的水平转换、传输和测量，然后可以轻松地将其转换为微波。该系统与金属布线一样工作，同样保持了量子位脆弱的量子态。

论文主导、NIST物理学家、约翰·特费尔(John Teufel)表示：“我认为这一进展将产生巨大影响，因为它将光子学和超导量子位这两种完全不同的技术相结合，可以解决非常重要的问题。” “与传统电缆相比，光纤还可以以更小的体积传输更多的数据。”

通常，研究人员会在室温下产生微波脉冲，然后通过同轴金属电缆将其传递至低温保持的超导量子位。新的设置使用光纤代替金属，将光信号引导至低温光电探测器，该探测器将信号转换回微波，然后将其传递到量子比特。为了进行实验比较，可以通过光子链路或常规同轴线将微波路由到量子位。

光纤实验中使用的一种称为“transmon”的量子位是一种称为约瑟夫森结的设备，嵌入在三维储层或腔中。该约瑟夫森结由绝缘体隔开的两种超导金属组成。在某些情况下，电流会穿过结，并可来回振荡。通过施加一定的微波频率，研究人员可以驱动低能量和激发态，即数字计算中为1或0的量子位。

研究团队团队进行了两种类型的实验，使用光子链路生成微波脉冲，该微波脉冲可以测量或控制量子位的量子状态。该方法基于两个关系：微波在空腔中自然来回反弹的称为共振频率、取决于量子位状态的频率。量子位转换状态的频率取决于腔中光子的数量。

为了控制量子比特的量子态，称为电光调制器的设备将微波转换为更高的光频率。这些光信号从室温到4K(零下摄氏269度)流经光纤，再下降到20毫开尔文，然后进入高速半导体光电探测器，该探测器将光信号转换回微波，然后被送到量子电路。

在这些实验中，研究人员以自然共振频率向量子比特发送信号，使其进入所需的量子状态。当有足够的激光功率时，量子位在其基态和激发态之间振荡。

为了测量量子位的状态，研究人员使用红外激光通过调制器，光纤和光电探测器以特定的功率水平发射光，以测量腔的共振频率。

研究人员首先在抑制激光功率的情况下开始量子位振荡，然后使用光子链路将微弱的微波脉冲发送到空腔。腔频率在98％的时间内准确地表示了量子位的状态，与使用常规同轴线获得的精度相同。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03268-xhttps://phys.org/news/2021-03-optical-fiber-boost-power-superconducting.html