光纖技術助力量子電腦實現重大突破

量子運算隨著光纖連線的量子位元（qubit）取得長足進展，讓大規模且具網路化的量子系統變得更為可行。量子位元作為量子運算的基本構成單元，正推動著整個科技產業的進步。其中，超導量子位元在大規模量​​子電腦的發展上展現出巨大的潛力。然而，它們依賴電訊號運作，這使得規模擴充套件面臨挑戰。

奧地利科技學院（ISTA）的物理學家們取得了一項突破性成果，他們成功開發出用於超導量子位元的全光學讀取方法，跨越了一個關鍵的技術障礙。他們的研究成果近期發表在《自然物理》（Nature Physics）期刊上，這可能為更具可擴充套件性和效率的量子運算系統鋪平道路。

在經歷了長達一年的蓬勃發展後，量子運算相關股票在國際量子科學與技術年開始沒幾天就突然停滯。這一放緩是由輝達（Nvidia）執行長黃仁勳在2025年國際消費電子展（CES）的主題演講引發的，他預測真正實用的量子電腦還要20年才能問世。

儘管市場有波動，業界也存在懷疑態度，但構建可擴充套件量子電腦的競爭依然激烈。這些機器在特定計算方面有潛力超越傳統電腦，但在真正實用之前，還必須解決重大的技術挑戰。

如今，奧地利科技學院（ISTA）約翰內斯・芬克（Johannes Fink）教授團隊的一群物理學家邁出了關鍵一步，讓量子運算變得更具可行性。他們開發出一種方法，使量子位元能夠透過光纖進行通訊，大幅降低了對龐大低溫硬體的需求。「這種新方法可能讓我們增加量子位元的數量，使其在運算中發揮作用。」共同第一作者、芬克團隊的前博士生格奧爾格・阿諾德（Georg Arnold）解釋道。這也為構建透過光纖在室溫下連線的超導量子電腦網路奠定了基礎。

光纖憑藉其相對於電傳輸的諸多優勢，徹底改變了電信行業，實現了高速通訊，但將光學技術應用於量子硬體並非易事。超導量子電腦利用材料在接近絕對零度時的特殊物理特性運作，這本身就帶來了挑戰。

為了實現超導量子位元，微小的電路需要被冷卻到極低的溫度，在這個溫度下它們會失去所有電阻，從而能夠無限期地維持電流。因此，從定義上講，超導量子位元是依賴電的。「要製造它們，我們必須達到僅比絕對零度高千分之幾度的溫度，這甚至比太空還冷。」阿諾德說。

然而，電訊號的頻寬相對較低，這意味著它們單位時間內傳輸的資訊量很少。它們還容易受到噪聲幹擾，導致資訊丟失。此外，所需的佈線會散發大量熱量。因此，量子位元的讀取，即透過傳送電訊號並檢測其反射來探測和測量量子位元，需要龐大的低溫冷卻裝置以及精細且昂貴的電子元件進行過濾和放大。

另一方面，高能光學訊號，例如在電信波長下的訊號，能夠在細小的光纖中以極小的損耗傳播。此外，它們的散熱量相當低，頻寬卻高得多。所以，如果量子位元能夠「理解」它們的「語言」，使用光學訊號來突破超導量子硬體的極限將是理想之選。

為了在超導量子硬體中實現全光學讀取，該團隊需要找到一種方法，將光學訊號「轉換」成量子位元能理解的訊號，並再轉換回來。「理想情況下，我們會嘗試消除所有電訊號，因為所需的佈線會將大量熱量傳輸到存放量子位元的冷卻腔室中，但這是不可能的。」共同第一作者、ISTA芬克團隊的博士生託馬斯・沃納（Thomas Werner）說。

於是，研究人員想到使用電光轉換器將光學訊號轉換為微波頻率，這是一種量子位元能夠理解的電訊號。作為回應，量子位元會反射一個微波訊號，轉換器再將其轉換回光學訊號。沃納強調了這項任務的微妙之處：「我們證明瞭可以將紅外光靠近量子位元而不使其失去超導性。」使用電光轉換器作為開關，使團隊能夠直接將量子位元與外界連線。

要用量子電腦進行「有用」的運算，需要數千甚至數百萬個量子位元。然而，現有的基礎設施難以跟上需求，因為檢測和測量它們所需的低溫冷卻要求極高。「我們的技術可以大幅降低測量超導量子位元的熱負荷，這將使我們能夠突破量子位元的限制，增加可用於量子運算的量子位元數量。」阿諾德說。

實現超導量子位元的全光學讀取還使研究人員能夠擺脫許多笨重的電子元件。傳統讀取系統中的電訊號極易出錯，需要使用大量技術上受限且昂貴的電子元件進行大規模訊號校正，而這些元件也必須冷卻到低溫。「所以，透過使用電光轉換器將量子位元與電子基礎設施分離，我們能夠用光學元件取代設定中的所有其餘部分。」沃納說。這不僅使系統更加穩健和高效，還降低了成本。

這項技術還可以透過讓科學家使用光連線多臺量子電腦，進一步增加可用的超導量子位元數量。目前，量子電腦需要所謂的稀釋冷凍機為整個測量裝置提供冷卻，包括處理器模組之間的任何必要連線。「但這些稀釋冷凍機也有實際限制，無法無限放大。」阿諾德說。反過來，空間和冷卻限制也限制了可用量子位元的數量。但研究人員表示，現在使用光纖連線兩臺不同稀釋冷凍機中的量子位元可能已經觸手可及。「基礎設施已經具備，現在我們有了技術，可以構建第一個簡單的量子運算網路。」阿諾德說。

奧地利科技學院的物理學家們在開發超導量子硬體方面達到了一個重要的里程碑，但仍有許多工作要做。「我們的原型機效能仍然相當有限，特別是在所需和耗散的光功率方面。然而，它證明瞭超導量子位元的全光學讀取是可行的。推動這項技術進一步發展將是業界的任務。」

參考文獻：All - optical superconducting qubit readout 11 February 2025, Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567 - 024 - 02741 - 4
資助來源：歐洲研究委員會、地平線2020框架計劃、奧地利科學基金、奧地利科學院