在这个日新月异的科技时代，每一次技术的飞跃都预示着人类文明的又一次跨越。超导技术与光子学的结合，为我们打开了一个全新的通信世界。超导材料以其卓越的低损耗特性，成为了量子通信中的理想选择。而光子链路，则以其高效率、抗电磁干扰的特性，为信息的传输提供了坚实的保障。今天，让我们聚焦于一个前沿而神秘的领域——超导-光子链路，以及它在量子极限的探索和对毫米波通信的扩展。
学者们已提出超导电路的光子寻址以克服布线复杂性和热负荷挑战。然而，这种超导光子链路存在效率-噪声权衡的问题，这限制了其可扩展性。之所以会出现这种权衡，是因为提高功率转换效率需要降低光功率，这使得转换后的信号容易受到散粒噪声的影响。
在本文中，研究人员分析了这种权衡，发现激光驱动的量子比特门失真度与使用的光子数量成反比。虽然非线性检测或压缩光等方法可以减轻这种影响，但他们考虑使用激光生成更高频率的电信号，例如毫米波（100 GHz）。在这些更高的频率下，电路具有更高的工作温度和冷却功率预算，从而缓解了权衡所施加的约束。
因此，研究人员展示了一种最大功率效率为8×10^−5的光驱动低温毫米波源，其能够产生80 GHz毫米波信号的最大功率为0.7 μW，在4 K时引入的噪声相当于1200个热光子所产生的噪声。利用这个毫米波源，研究人员在80-90 GHz下对超导NbTiN谐振器进行了频域谱学研究。
结果表明，这种方法富有前景，可以减轻超导-光子链路上的效率-噪声约束，同时还可以利用光子信号传输的优势。进一步优化高频下的功率效率和噪声，令在超过1 K的温度下实现超导量子比特的可扩展光子控制成为可能。
背景
超导量子计算领域需要高效且可扩展的方法来控制和读取量子比特。在量子比特数向数百万规模扩展以实现容错量子计算时，当前使用衰减同轴线的方法面临热负荷和布线复杂性的问题。而光驱动微波设备利用光纤的低导热性和大带宽来传输控制信号，是一种颇具吸引力的替代方案。
在经典应用中，光学驱动技术在微波光子学领域已被广泛研究，并且其信号分配方法已被应用于超导量子比特的量子控制和读取。然而，超导-光子链路存在效率-噪声权衡问题，这限制了其可扩展性，并且光学驱动微波控制超导系统还面临着光场量子涨落带来的基本限制。
理论方法
考虑光信号经强度调制后照射到光电二极管上产生微波信号的系统，给出光功率表达式，涉及平均光功率、调制深度和调制频率等参数。
阐述光电二极管将光信号转换为电流的原理，引入响应度概念，其与电子电荷、约化普朗克常量、光频率以及量子效率和内部或外部放大过程的增益有关。
得出微波功率与光功率的关系，进而定义功率效率，并根据冷却功率和执行量子比特操作所需功率，分析驱动线路数量与功率效率的关系。
假设超导-光子链路的主要噪声源为光学散粒噪声，用有效光子噪声占据数来封装检测光场的散粒噪声，该占据数与射频频率有关。
给出双边光电流散粒噪声谱密度表达式，并通过与热噪声源的量子电流噪声谱密度比较，得出有效热占据数表达式，分析光功率、响应度和电路特征阻抗等因素对有效占据数和噪声温度的影响。
考虑由电场或电压驱动的理想二能级系统（如超导量子比特），假设电压由检测到的光信号产生，分析光场噪声对量子比特门保真度的影响。
得出量子比特旋转角度与光功率、脉冲形状等因素的关系，进而得到由于散粒噪声导致的门错误概率表达式。
指出提高超导-光子链路功率转换效率以实现更多量子比特光学控制的策略，如提高光电二极管的量子效率或响应度，或增加传输线阻抗等，但这些策略会导致门误差增加，从而形成效率-噪声权衡关系。
通过绘制光学功率、量子比特数、门错误和有效热光子占据数等与光电二极管响应度的关系曲线，直观展示这种权衡关系，并与其他研究进行对比分析。
图1：效率-噪声权衡显示为光电探测器响应度的函数。
从理论上分析将驱动频率从微波（如5 GHz）提高到毫米波（如100 GHz）时，功率效率的变化情况，发现其可提高20倍。
阐述毫米波系统在成本（尽管布线和组件成本高，但光纤路由和复用信号的简单性有利于可扩展性）、工作温度（超导毫米波系统和量子设备可在更高温度下工作，如300 mK，冷却功率更大）等方面的优势，尽管效率-噪声权衡仍然存在，但在更高频率下由于冷却功率增加而不那么显著。
实验方案
1、构建光学驱动毫米波源
原理：通过在4 K环境下，将两个不同频率的相干光场在高速光电二极管（HSPD）上混合来产生射频功率，为了表征源和测量超导毫米波电路，使用适配器将HSPD同轴输出的射频信号转换为矩形波导输出，源的输出频谱带宽由矩形波导截止频率和HSPD带宽决定。 设备与连接：实验设备包括光学C波段（1550nm）的二极管激光器、高带宽电光调制器、高速光电二极管（安装在稀释制冷机的4 K阶段）、W波段谐波混频器、低温校准零偏置毫米波探测器等。激光经电光调制器调制后，通过掺铒光纤放大器放大，再送入制冷机中的光电二极管产生毫米波信号，然后通过同轴电缆和波导等传输，最后由探测器检测。
2、低温功率和噪声特性表征
功率测量：为测量源产生的毫米波功率，用信号发生器驱动零偏置的Mach-Zehnder调制器（MZM）产生80 GHz信号，经一系列传输后由零偏W波段探测器检测，测量时在室温（红色数据）和低温（蓝色数据）下进行光功率扫描，观察到测量结果符合预期的二次关系，且测量过程中未观察到稀释制冷机各级有明显加热现象，同时对插入损耗和HSPD响应度进行了估计和拟合。 噪声测量：在另一次测量中，研究源产生的宽带噪声，信号经波导传输后进入检测链，检测链包括毫米波低噪声放大器、低温隔离器、谐波混频器和双工器等，将80 GHz信号下变频到500 MHz中频后在实时频谱分析仪上观察功率谱密度，根据测量数据计算出有效热光子占据数，发现其与光功率呈非线性关系，通过与假设仅受散粒噪声限制的理论曲线对比，推测测量中的超额噪声可能源于掺铒光纤放大器导致的相对强度噪声增加。
图3：用于测量光源特性的实验装置示意图。
电路制备：研究人员利用溅射在195μm厚蓝宝石衬底上的、厚度为100 nm的NbTiN，制作了四分之一波长谐振器，通过光刻和基于氯的反应离子刻蚀进行图案化，将芯片封装在WR10矩形波导中，确保波导基本TE模式能与超导电极偶极矩充分耦合以驱动谐振器。
频率域光谱测量：由于信号发生器最大输出频率为40 GHz，利用调制光的二阶边带来产生所需频率并进而表征谐振器，通过调整调制频率和本地振荡器频率，确保测量中无三次谐波泄漏，对不同电极长度的四个谐振器进行测量，得到频率域光谱，观察到不对称洛伦兹线型，从拟合结果得出外部和内部品质因子。
研究成果
深入分析了超导-光子链路的量子极限，揭示了量子噪声对超导-光子链路性能的影响。
提出了利用量子纠缠和量子压缩技术提高超导-光子链路性能的方法，为量子信息科技的发展提供了新的思路。
将超导-光子链路扩展到毫米波频段，探索了毫米波在超导-光子链路中的传输特性和损耗机制。
实验验证了理论分析的正确性，为超导-光子链路的实际应用提供了可靠的依据。
主要研究人员
Kevin K.S. Multani，斯坦福大学物理系和应用物理系博士研究生。主要致力于毫米波（100GHz）量子设备的开发，如频率转换器、量子比特以及纠缠光子源等相关研究。
Wentao Jiang，斯坦福大学应用物理系博士研究生，本科毕业于清华大学物理系。致力于量子频率转换相关的研究，主要研究包括腔光力学、压电光力学频率转换、纳米力学和声子电路等领域。
Amir H. Safavi-Naeini，斯坦福大学应用物理系副教授。主要研究混合量子器件和系统、集成非线性光子学。
参考链接