近日，MIT領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新的超導(dǎo)參量放大器，其中這個(gè)團(tuán)隊(duì)的Yanjie (Jack) Qiu是中國博士，在此次研究中，表示新的研究它的工作增益與以前的窄帶壓縮器相同，同時(shí)可以在更大的帶寬上實(shí)現(xiàn)量子壓縮。
噪聲是任何量子系統(tǒng)所固有的?？茖W(xué)家們可以通過使用“參量”放大來“壓縮”噪聲，從而有效地繞過這一限制：“壓縮”這種量子現(xiàn)象減少了影響一個(gè)變量的噪聲，同時(shí)增加了影響其共軛變量的噪聲；雖然噪聲的總量保持不變，但它被有效地重新分配了。然后，研究人員可以通過只關(guān)注低噪聲的變量來進(jìn)行更精確的測量。
近日，這篇論文發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上[1]，首次展示了在高達(dá)1.75 GHz的寬頻率帶寬上的壓縮，同時(shí)保持了大量的“壓縮”（選擇性降噪）。相比之下，以前的微波參量放大器一般只有100 MHz或更少的帶寬。
這種新的寬帶設(shè)備可能使科學(xué)家能夠更有效地讀出量子信息，生成更快、更準(zhǔn)確的量子系統(tǒng)。通過減少測量中的誤差，這種架構(gòu)可以被用于多量子系統(tǒng)或其他要求極度精確的計(jì)量應(yīng)用。
Yanjie (Jack) Qiu，本科畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，目前是MIT博士生。在伯克利，他從事低溫工程以優(yōu)化定制的稀釋制冷機(jī)和開發(fā)量子限制放大器。博士期間，在MIT工程量子系統(tǒng)小組研究超導(dǎo)電路。
值得一提的是，此次論文的第一作者和通信作者是MIT的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系、工程量子系統(tǒng)小組中國博士生Yanjie (Jack) Qiu[2]。他說，“隨著量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，這些系統(tǒng)中的量子比特?cái)?shù)量增加到數(shù)千或更多，我們將需要寬帶放大?！?/p>
超導(dǎo)量子電路，如量子比特，在量子系統(tǒng)中處理和傳輸信息——信息通過由光子組成的微波電磁信號攜帶。但這些信號可能極其微弱，因此研究人員需要使用放大器來提高信號水平，以便可以進(jìn)行精確的測量。如果想要了解更多，可以添加V信Tops6868，托普仕專業(yè)的老師會為您解疑答惑。
然而，海森堡不確定性原理這一量子特性要求在放大過程中加入最小量的噪聲，這就是背景噪聲的“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”。幸運(yùn)的是，約瑟夫森參量放大器這一設(shè)備可以通過有效地將其重新分配到其他地方：將添加的噪聲“壓縮”到基本極限以下。
量子信息用共軛變量表示，例如，電磁波的振幅和相位。然而，在許多情況下，研究人員只需要測量這些變量中的一個(gè)就可以確定系統(tǒng)的量子狀態(tài)。在這些情況下，他們可以“壓縮噪聲”，降低一個(gè)變量的噪聲而提高另一個(gè)變量的噪聲。由于海森堡的不確定性原理，噪聲的總量保持不變，但它的分布可以以這樣的方式塑造：即在其中一個(gè)變量上可以進(jìn)行較少噪聲的測量。
一個(gè)傳統(tǒng)的約瑟夫森參量放大器是基于諧振器的。它就像一個(gè)回音室(echo chamber)，中間有一個(gè)叫做約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)非線性元件。光子進(jìn)入回音室后會在周圍反彈，與同一個(gè)約瑟夫森結(jié)多次互動(dòng)。在這種環(huán)境下，由約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)非線性得到了加強(qiáng)，并導(dǎo)致了參量的放大和壓縮。但是，由于光子在離開之前多次穿越同一個(gè)約瑟夫森結(jié)，該結(jié)會受到壓力；因此，基于諧振器的放大器所能容納的帶寬和最大信號都是有限的。
此次，MIT的研究人員采取了一種不同的方法。他們沒有在諧振器內(nèi)嵌入一個(gè)或幾個(gè)約瑟夫森結(jié)，而是將3000多個(gè)結(jié)連在一起，創(chuàng)造了約瑟夫森行波參量放大器(Josephson traveling-wave parametric amplifier)。光子在從一個(gè)結(jié)到另一個(gè)結(jié)的過程中相互作用，導(dǎo)致噪聲壓縮，而不會給任何一個(gè)“結(jié)”帶來壓力。
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