5米！最长的微波量子链接——为量子计算机提供

在Andreas Wallraff的实验室里的ETH量子链。中心的电子管包含了强冷却的波导，它通过微波光子将两个量子芯片连接起来。

苏黎世联邦理工学院的物理学家展示了一条5米长的微波量子链，这是迄今为止最长的微波量子链。它既可以用于未来的量子计算机网络，也可以用于基础量子物理研究的实验。

合作是一切——在量子世界也是如此。为了在未来构建强大的量子计算机，需要连接几台更小的计算机来形成一种集群或局域网(LAN)。由于这些计算机处理的是包含逻辑值“0”和“1”的量子力学叠加态，它们之间的链接也应该是“量子链接”。

迄今为止，以微波为基础的最长的这种链接，有5米长，是在苏黎世联邦理工学院量子设备实验室的教授安德烈亚斯·沃拉夫的实验室中建造的。研究人员计划在丹佛举行的美国物理学会年会上公布他们的研究结果。由于疫情，本次会议被临时取消。相反，科学家们现在在一个虚拟的替代会议上报告他们的结果。

“这对我们来说真的是一个里程碑，”Wallraff解释道，因为现在我们可以证明量子LAN原则上是可行的。”在未来10到20年，量子计算机可能会越来越依赖它们。”目前的计算机只有几十个量子位元，但在现有的设备中，要容纳几十万个量子位元几乎是不可能的。其中一个原因是基于超导电子振荡器的量子位需要被冷却到接近绝对零度的温度，即零下273度。这就抑制了热扰动，而热扰动会导致量子态失去它们的叠加特性，也就是所谓的退相干，量子计算就会出现错误。

现在面临的挑战是如何将两个超导量子芯片连接起来，使它们能够在退相干最小的情况下交换叠加态。这是通过微波光子的方式实现的，微波光子由一个超导振荡器发射，由另一个振荡器接收。在这之间，它们通过一个波导，这是一个几厘米宽的金属腔，也需要被强烈冷却，这样光子的量子态就不会受到影响。

每一块量子芯片都要在低温恒温器(一种功能极其强大的冰箱)中冷却几天，使用的是压缩的和液态氦，温度要比绝对零度高百分之几度。为此，创建量子链接的五米长波导配有由几层铜板组成的外壳。每一层都是低温恒温器不同温度阶段的隔热板-223度，-269度，-272度，-273,1度。

没有“桌面”实验

“所以，这绝对不再是一个可以放在一个小工作台上的“桌面”实验，”Wallraff说。“在这方面已经进行了大量的开发工作，ETH是建造这样一个雄心勃勃的装置的理想场所。这是一种微型CERN，我们必须构建几年，以便能够使用它做有趣的事情。”除了进行实验的三名博士生外，还有几名工程师和技术人员也参与了制造和构建量子链路的工作。

ETH的物理学家们不仅证明了量子链路可以被充分冷却，而且还证明了它可以被用来在两个量子芯片之间可靠地传输量子信息。为了证明这一点，他们通过量子链路在两个芯片之间创建了一个纠缠态。在这种纠缠态下，一个量子位元的测量瞬间影响另一个量子位元的测量结果，这种纠缠态也可用于基础量子研究的测试。在这些“贝尔测试”中，量子位元之间的距离必须足够远，这样才能排除以光速传递信息的可能性。

当Wallraff和他的合作者们用这个新链接做实验的时候，他们已经开始研究更长的量子链接。一年前，他们已经能够给10米长的连接足够的冷却，没有做任何量子实验。现在他们正在研究一个30米长的量子链路，在ETH的一个房间已经被特别准备好了。