纳米人-Nature：里程碑突破！

Nature：里程碑突破！

学研汇技术中心纳米人 2023-07-10

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇技术中心）

编辑丨风云

在为量子计算探索的众多物理平台中，超导量子位(qubit)处理器在过去十年中因其量子位数量和系统性能的增加而脱颖而出。例如，研究人员已经构建了具有高达数百个量子位的超导量子计算机，并使用超导量子位运行了许多量子算法，包括对物理系统进行建模和纠正量子错误，为有用的量子计算铺平了道路。然而，这些量子位将量子信息编码为存储在必须冷却至毫开尔文温度的电路元件中的微量能量，并且在处理器之间传输量子信息具有挑战性。

有鉴于此，苏黎世联邦理工学院Andreas Wallraff等人报告了超导量子位设置，该设置可在30米的距离内以高保真度运行。该方法涉及一种称为纠缠的量子特性，这是一种可能的量子信息传输策略的关键要素。作者还展示了量子位状态的快速读出，使他们能够展示一项被称为“无漏洞”贝尔实验的实验壮举，这是使用超导量子位的首次成功尝试。该工作表明，非局域性是量子信息技术中一种可行的新资源，可通过超导电路实现，在量子通信、量子计算和基础物理学中具有潜在应用。

本文要点：

1）贝尔测试实验

借助超导电路，进行了贝尔测试，填补了公平采样漏洞，在这项工作中，作者着手证明使用超导电路可以毫无漏洞地违反贝尔不等式。贝尔测试的单独试验在时间t_⋆=0开始，选择一对输入位(a, b)，这决定了读出两个纠缠量子位中的每一个的量子态的基础。为了支持测量独立性假设，使用随机数生成器(RNG)实现局部基选择。对于贝尔测试的每次试验，都会对A和B处的量子位的量子态进行高保真测量，通过统计分析输入和输出数据来弥补记忆漏洞。

图1 贝尔测试实验示意图

2）测试要求

在使用一对纠缠的量子比特的贝尔测试中，贝尔不等式被违反的程度取决于纠缠态的并发C和单个量子比特读出保真度F_r^(A,B)。因此，只有当平均读出保真度超过大约 84% 并且并发性C超过大约0.7时，才能违反CHSH不等式，因此S^max> 2。为满足上述要求，先前的实验在单个稀释制冷机和使用低温链路连接5米距离的两个制冷机中实现了超导量子位的远程纠缠，并发量足够大。在这里展示的实验中，在更大的线性距离上产生了纠缠。

图2 S值、纠缠态和读出保真度

3）低温微波量子链路

选择构建一个容纳超导的低温系统线性物理距离大约d=30 m的电路，为贝尔测试提供了超过100ns的时间预算t_d。使用实现为超导铝波导的低温量子微波通道将两个电路在30米的距离内相互连接，将波导冷却到几十毫开尔文的温度，此时它的损耗小于每公里1 dB且它的热占用可以忽略不计。为了成功运行该系统，使用高反射率材料结合超绝缘材料进行辐射屏蔽，最大限度地减少了每个温度阶段的热负荷，构成了一个在毫开尔文温度下运行的大型低温系统。

图3 低温微波量子链路

4）贝尔测试

在所有实验中，用于从波导中提取光子以表征纠缠的环行器引起的光子损失占主导地位。沿布洛赫球体的y轴旋转每个量子位状态，以最大化贝尔违规。在A点和 B 点纠缠远距离的量子比特之后，将执行无漏洞贝尔测试的时间关键部分。作者详细阐明了实验过程，在每个 Bell 测试实验中，记录了所有n次试验的基础选择(a, b)和相应的读出结果(x, y)。在这些值的基础上，计算了所有四种测量基础选择组合的平均值⟨xy⟩(a,b)，同时考虑了所有 n次试验，从而弥补了公平抽样漏洞。