科学家在降低噪声的同时增强量子信号

任何量子系统都固有一定量的噪声。例如，当研究人员想要从量子计算机读取信息时，量子计算机利用量子力学现象来解决某些对于经典计算机来说过于复杂的问题，同样的量子力学也会带来最小程度的不可避免的错误，从而限制测量的准确性。

科学家们可以通过使用“参数”放大来“压缩”噪声来有效地绕过这一限制，这是一种量子现象，它可以减少了影响一个变量的噪声，同时增加影响其共轭伙伴的噪声。虽然噪声总量保持不变，但它被有效地重新分配。然后，研究人员可以通过仅查看噪声较低的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已经开发出一种新的超导参量放大器，它可以在以前的窄带压缩器的增益下运行，同时在更大的带宽上实现量子压缩。他们的工作首次展示了在高达 1.75 GHz 的宽频率带宽上进行压缩，同时保持高度压缩（选择性降噪）。相比之下，以前的微波参量放大器通常只能实现 100 兆赫或更小的带宽。

这种新的宽带设备可能使科学家能够更有效地读出量子信息，从而导致更快、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位系统或其他需要极高精度的计量应用。

“随着量子计算领域的发展，这些系统中的量子位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，理论上你可以同时读出数千个量子位， ”电气工程和计算机科学研究生 Jack Qiu 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。该论文将发表在《自然物理》上。

压缩噪声低于标准量子极限

超导量子电路，如量子比特，在量子系统中处理和传输信息。该信息由包含光子的微波电磁信号携带。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电平，以便进行干净的测量。

然而，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少量的噪声，从而导致背景噪声的“标准量子极限”。然而，一种称为约瑟夫森参量放大器的特殊设备可以通过将其有效地重新分配到其他地方，将其“压缩”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之一，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”，降低一个变量的噪声，比如振幅，同时提高另一个变量的噪声，在本例中为相位。由于海森堡的不确定性原理，噪声总量保持不变，但它的分布可以以这样一种方式形成，即可以对其中一个变量进行噪声较小的测量。

传统的约瑟夫森参量放大器是基于谐振器的：它就像一个回声室，中间有一个称为约瑟夫森结的超导非线性元件。光子进入回声室并反弹多次与同一个约瑟夫森结相互作用。在这种环境中，系统非线性（由约瑟夫森结实现）得到增强，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约瑟夫森结，因此该结受到应力。因此，基于谐振器的放大器可以容纳的带宽和最大信号都是有限的。

麻省理工学院的研究人员采取了不同的方法。他们没有在谐振器中嵌入一个或几个约瑟夫森结，而是将 3,000 多个结链接在一起，创建了所谓的约瑟夫森行波参量放大器。光子在从一个结点移动到另一个结点时会相互作用，从而在不对任何单个结点施加压力的情况下产生噪声压缩。

Qiu说，他们的行波系统可以承受比基于谐振器的约瑟夫森放大器高得多的信号，而没有谐振器的带宽限制，从而导致宽带放大和高水平的挤压。

“你可以把这个系统想象成一根很长的光纤，另一种类型的分布式非线性参量放大器。而且，我们可以推进到 10,000 个结点或更多。这是一个可扩展的系统，而不是谐振架构，”他说。

近乎无噪音的放大

一对泵浦光子进入设备，作为能源。研究人员可以调整来自每个泵的光子频率，以产生所需信号频率的压缩。例如，如果他们想要压缩 6 GHz 的信号，他们会调整泵以分别以 5 GHz 和 7 GHz 的频率发送光子。当泵浦光子在设备内部相互作用时，它们结合产生一个放大信号，其频率恰好在两个泵浦的中间。这是一种称为非线性波混合的更普遍现象的特殊过程。

“噪声的压缩是由参数化过程中出现的双光子量子干涉效应引起的，”他解释道。

这种架构使他们能够将噪声功率降低到基本量子极限以下 10 倍，同时以 3.5 GHz 的放大带宽运行——这个频率范围几乎比以前的设备高两个数量级。

Qiu说，他们的设备还展示了纠缠光子对的宽带生成，这将使研究人员能够以更高的信噪比更有效地读取量子信息。

虽然Qiu和他的合作者对这些结果感到兴奋，但他表示仍有改进的空间。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，他们正在探索可以改善插入损耗的不同制造方法。

“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——与量子位系统接口以增强读出，或纠缠量子位，或将设备工作频率范围扩展到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。

参考链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230209114728.htm

—煤油灯科技victorlamp.com翻译整理—