MIT中国博士在高效读出量子信息方面取得重要成果

　　噪声是任何量子系统所固有的。科学家们可以通过使用“参量”放大来“压缩”噪声，从而有效地绕过这一限制：“压缩”这种量子现象减少了影响一个变量的噪声，同时增加了影响其共轭变量的噪声；虽然噪声的总量保持不变，但它被有效地重新分配了。然后，研究人员可以通过只关注低噪声的变量来进行更精确的测量。

　　近日，这篇论文发表在《自然·物理学》上[1]，首次展示了在高达1.75 GHz的宽频率带宽上的压缩，同时保持了大量的“压缩”（选择性降噪）。相比之下，以前的微波参量放大器一般只有100 MHz或更少的带宽。

　　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，生成更快、更准确的量子系统。通过减少测量中的误差，这种架构可以被用于多量子系统或其他要求极度精确的计量应用。

　　Yanjie (Jack) Qiu，本科毕业于加州大学伯克利分校，目前是MIT博士生。在伯克利，他从事低温工程以优化定制的稀释制冷机和开发量子限制放大器。博士期间，在MIT工程量子系统小组研究超导电路。

　　值得一提的是，此次论文的第一作者和通信作者是MIT的电气工程和计算机科学系、工程量子系统小组中国博士生Yanjie (Jack) Qiu[2]。他说，“随着量子计算领域的发展，这些系统中的量子比特数量增加到数千或更多，我们将需要宽带放大。”

　　超导量子电路，如量子比特，在量子系统中处理和传输信息——信息通过由光子组成的微波电磁信号携带。但这些信号可能极其微弱，因此研究人员需要使用放大器来提高信号水平，以便可以进行精确的测量。如果想要了解更多，可以添加V信Tops6868，托普仕专业的老师会为您解疑答惑。

　　然而，海森堡不确定性原理这一量子特性要求在放大过程中加入最小量的噪声，这就是背景噪声的“标准量子极限”。幸运的是，约瑟夫森参量放大器这一设备可以通过有效地将其重新分配到其他地方：将添加的噪声“压缩”到基本极限以下。

　　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中的一个就可以确定系统的量子状态。在这些情况下，他们可以“压缩噪声”，降低一个变量的噪声而提高另一个变量的噪声。由于海森堡的不确定性原理，噪声的总量保持不变，但它的分布可以以这样的方式塑造：即在其中一个变量上可以进行较少噪声的测量。

　　一个传统的约瑟夫森参量放大器是基于谐振器的。它就像一个回音室(echo chamber)，中间有一个叫做约瑟夫森结的超导非线性元件。光子进入回音室后会在周围反弹，与同一个约瑟夫森结多次互动。在这种环境下，由约瑟夫森结实现的系统非线性得到了加强，并导致了参量的放大和压缩。但是，由于光子在离开之前多次穿越同一个约瑟夫森结，该结会受到压力；因此，基于谐振器的放大器所能容纳的带宽和最大信号都是有限的。

　　此次，MIT的研究人员采取了一种不同的方法。他们没有在谐振器内嵌入一个或几个约瑟夫森结，而是将3000多个结连在一起，创造了约瑟夫森行波参量放大器(Josephson traveling-wave parametric amplifier)。光子在从一个结到另一个结的过程中相互作用，导致噪声压缩，而不会给任何一个“结”带来压力。

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