加州理工博后，美国加州理工学院研发出新型光子芯片，可产生和测量光量子态

据报道，自无线电报和真空管问世以来，电子计算和通信已获得了长足进步，现今消费设备的处理能力和内存等级是几十年前无法想象的……

但伴随着计算和信息处理设备体积越来越小、功能越来越强大，它们正在遭遇量子物理定律强加的一些基本限制，该领域的未来发展前景可能与光子学密切相关，光子学是与电子学平行的光学基础概念加州理工博后博士，美国加州理工学院研发出新型光子芯片，可产生和测量光量子态，光子学在理论上与电子学相似，但使用光子代替电子加州理工博后，光子设备处理数据的速度可能比电子设备快很多，包括：量子计算机。

目前，光子学领域的基础研究仍然非常活跃，但缺乏关键的设备进行实际应用，美国加州理工学院研发一种新型光子芯片可能代表该领域的一个重大突破，尤其是使光子量子信息处理器成为可能方面，它可以产生和测量光量子态，而该方法以前仅能采用笨重且昂贵的实验室设备才能实现。

基于光子基本性质，不同种类的光子是以其能量、动量和偏振等特征加以区分的，而这些不同的特征所决定的光子状态叫光量子态。

这种新型光子芯片是基于铌酸锂材料制成，铌酸锂在光学领域具有广泛用途，它在芯片一侧产生所谓的光压缩状态，并在另一侧进行测量。光压缩状态，简单地说就是在量子等级上降低“噪音”的光，据悉博士后，直到近几年光压缩状态技术才被用于增强激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的灵敏度勘测，LIGO 天文台是利用激光束探测引力波的探测设备，如果科学家使用基于光的量子设备处理数据，同样地低噪音光状态也是非常重要的。

加州理工学院电子工程和应用物理学副教授阿尔雷扎・马兰迪 ( ) 说：“现在我们已实现了量子态质量超过量子信息处理的需求，而量子信息处理可用于处理大型实验装置的科研领域，我们的研究工作标志着集成光子电路产生和测量光量子态迈出了重要的一步。我们可以利用它突破很多传统非线性光学研究的局限在职研究生，甚至打破很多传统假设。”

同时，马兰迪指出，光子芯片技术显示了一条通向以太赫兹时钟速率运行量子光学处理器的最终发展方向，相比之下，它比苹果笔记本 Pro 的计算处理器快数千倍，该技术可能在未来 5 年内在通信、传感和量子计算方面投入实际应用。

该研究报告合著作者、博士后学者拉杰维尔・奈尔拉 ( Nehra) 说：“光学一直是实现量子计算最有前景的途径之一，因为它在可扩展性和室温下超快逻辑操作方面具有一些固有优势，然而，可扩展性应用的主要挑战之一是纳米光子学中生成和测量充足的量子态，我们的目标就是如何解决这个挑战问题。”

加州大学伯克利分校博士后，科研进展 | 加州大学伯克利分校：通过穿越双玻色子阶梯为基于高维量子比特的量子处理器赋能

高维量子信息处理已成为一种有前途的途径，或将超越硬件限制，推动量子技术前沿发展。若想利用所谓的量子比特未开发潜力博士后，那就需要开发超越既定量子比特方法的量子协议。

8月19日，加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室、高丽大学组成的研究团队在《 》期刊上发表题为“ a qudit-based by the dual ”（通过穿越双玻色子阶梯为基于高维量子比特的量子处理器赋能）的研究论文，Long B. 、Noah Goss为论文共同第一作者兼共同通讯作者。

在本文中，研究人员提出了一种稳健、硬件高效、可扩展的方法，用于使用拉曼协助的双光子相互作用来操作多维固态系统。然后利用它们来构建可扩展的多量子比特运算，实现高度纠缠的多维状态，包括原子压缩态和薛定谔猫态，并实现沿量子比特阵列的可编程纠缠分布。该工作阐明了强驱动多量子系统的量子电动力学，为量子传感和容错量子计算等高维量子应用的未来发展提供了实验基础。

背景

超导线路已被公认为在量子模拟和量子信息处理方面富有前景的平台。然而，现有架构的扩展在制造不足、连接受限、仪器开销苛刻方面带来了巨大的挑战。克服硬件限制的一个关键策略是将量子比特提升为高维量子比特，并利用系统中已经存在的更高能级来编码或传输量子信息。特别是，有人提出使用高维量子比特可以简化量子线路的复杂性，允许对某些自然系统进行原生量子模拟，提高量子通信中的信息容量和抗噪能力，从而获得更高效的逻辑量子比特编码。

在使用光子、冷原子、囚禁离子的高维量子比特发展的同时，近期工作也凸显了超导线路在高维量子计算中的潜力。然而，超导高维量子的进展受到有限相互作用工具包的制约，显著缺乏可扩展的XY型相互作用。这阻碍了超导量子计算在推进高维量子计算中的应用。

方法

本质上博士，使用分路约瑟夫森结与大电容器来构建的超导线路表现为非线性谐波振荡器，其具有d个本征能级，并且这些能级在势阱中形成了玻色子阶梯。可以使用微波驱动器来一次一个能级地诱导能量激发，进而访问线路的本征态。因此，可以使用非周期齿轮自然地可视化高维量子比特，如图1所示。高维量子器件可以通过电容地将齿轮连接成一个阵列来构建，每个齿轮都作为链中的一个环节，具有独立的控制和读取现路。

研究人员展示了Rabi振荡数据和单个高维量子比特的随机基准测试结果，这些结果显示了随着量子比特的维数d从2增加到4，平均本征门保真度的下降趋势。这种下降是由于高维下所需的高维量子比特旋转次数在增加，导致门的保真度随之降低。通过使用色散耦合的谐振器，研究人员能够借助外差测量来读取高维量子比特的状态，实现高保真度的初始化和测量。

为了在这些高维量子比特上执行多高维量子比特操作，研究人员采取了工程化高维量子比特的共旋转方法，这涉及到两个高维量子比特的同时旋转，并通过双光子动力学实现了非能量守恒的特性。通过构建双玻色子阶梯模型，研究人员能够在不需要额外线路或仪器的情况下，实现所有高维子空间的期望相互作用。

研究人员进一步探讨了单色驱动情形，其中两个脉冲以单一频率同时施加到两个高维量子比特上。通过调整驱动幅度的比率，可以调整高维量子比特的频率，并通过确保中间态的虚拟占据来满足绝热条件，实现高维量子比特状态的相干双光子跃迁。这一过程在不同高维量子比特平台上具有普遍可行性和适应性。

此外加州大学伯克利分校博士后，还特别强调了系统参数的精密控制。在双玻色子阶梯模型中，系统的能级结构对量子态的转移和叠加起到了决定性作用。因此，研究团队通过微调实验中的外磁场强度、电流大小以及耦合常数，确保了每次量子态跃迁都能在预期的能级间发生。为了实现这种精密控制，实验设备要求极高的稳定性和灵敏度，研究团队在实验中采用了最新的低温超导技术，将实验环境控制在接近绝对零度的温度下，极大地减少了热噪声的影响。

另一个关键实验步骤是量子态的测量。在双玻色子阶梯模型中，量子态的转移和叠加是通过对每个玻色子模式的测量来确定的。为了捕捉这些细微的量子态变化，研究团队使用了量子相干测量技术，这种技术能够在不破坏量子态的前提下，对其进行高精度的检测。具体而言，研究人员通过设置一系列微小探测器，测量量子态在不同能级之间的跃迁概率，并通过这些数据反推量子态的演化路径。这种测量方法不仅提供了实验的直接数据支持，也为验证双玻色子阶梯模型的理论预测提供了可靠的依据。

在实验结果分析中，研究团队将实验数据与理论模型进行了详细的对比分析。他们发现，实验中观测到的量子态跃迁与理论预测高度一致，这表明双玻色子阶梯模型在高维量子态操作中的确具有优越性。此外，实验数据还揭示了系统在特定条件下的相干性保持能力，这为未来进一步优化量子处理器的设计提供了宝贵的经验。

图1：基于高维量子比特的量子处理器。

图2：穿越双玻色子阶梯。

图3：多量子比特门的实现和验证。

图4：高维纠缠。

图5：纠缠的分布。

主要研究人员

Long B. ，加州大学伯克利分校博士后，目前主攻方向为改变量子信息在超导系统中的编码和操纵方式。

Noah Goss，加州大学伯克利分校研究生在读。

Irfan ，加州大学伯克利分校教授。1997年获得哈佛大学化学和物理学学士学位，2002年获得耶鲁大学应用物理学博士学位，并在那里担任博士后研究员直到2005年。2006年夏加入加州大学伯克利分校的物理系。2006年，Irfan因开发分岔放大器而被美国物理学会授予 E. ，Jr.奖。2007年上海mba，他被授予海军研究办公室青年研究员奖、赫尔曼家庭教师基金和加州大学伯克利分校校长合作教师基金。其团队——量子纳米电子学实验室——研究各种凝聚态系统的量子相干性，从微观纳米磁体（如单分子磁体）到复杂的宏观电路。为了测量这些量子系统的电学和磁学性质，我们正在开发一种新型的微波频率量子噪声限制放大器，该放大器基于由氧化物隧道势垒和碳纳米管弱环节形成的超导约瑟夫森结。目前的研究主题包括量子相干性对系统复杂性的依赖性、非线性振荡器的非平衡量子统计力学、单分子的量子相干性以及超导电路中最大相干性的拓扑结构。

励志小故事——Long B. 自述

一、我是怎么来到这里的

我来自越南的一个传统农民家庭，在稻田宁静的风景中度过了我的成长岁月。在附近的一张照片中，我和我的兄弟站在我们祖先的农田上——这张照片概括了我们简单却又丰富的“遗产”。长大后，我就读于胡志明市唐人街附近的当地学校，在一个泥土的香气和辛勤工作无缝交织的世界里航行。在我年轻时的许多珍贵时刻中，我在洪邦中学（Hong Bang ）留下了特别的回忆，这是一所迷人的学府，法式建筑的美丽与古树郁郁葱葱的绿色植物和谐地融合在一起。正是在这里，我这群关系密切的朋友们，在熙熙攘攘的生活挂毯和中医的芬芳中，开始培养远大抱负。在我的高中教育中，我有幸就读于Le Hong Phong，这是一所历史悠久的受人尊敬的机构。

出于对更广泛经验的渴望，我走上了一条变革之路，在美国接受高等教育。通过奖学金，我冒险进入了德克萨斯大学达拉斯分校的学术之旅，这是我年轻时熟悉的风景的重要一步。通过在宁静的郊区环境中与富有洞察力和教养的教育工作者接触，发现我内心的探索者，这使我生命中最美丽的阶段成为我生命中最美丽的阶段。随后，我抓住机会在马里兰大学继续深造，在那里我从一名初出茅庐的理论家转变为掌握实验量子物理学的艺术，这种学习的发展最终令我获得了博士学位。

在这个里程碑之后，我得到了一个不可抗拒的机会——在加州大学伯克利分校和伯克利实验室进行先进的量子研究。当前阶段标志着我致力于推进我所在领域的研究和知识。目前，我全身心投入到我的工作中，为充满活力的学术和研究社区做出贡献，同时我继续在量子物理学领域进行探索和创新。

二、我为什么要做我所做的事情

简单地说，我试图更多地了解我周围的世界，并通过这段旅程，对自己有更深入的理解。

在6万到9万年前，人类开始向非洲迁徙，这是一个持续的旅程，最终让我们居住在地球上每一个可以居住的角落。1909年， Peary在乘坐狗拉雪橇在冰冷的地形上进行了37天的艰苦跋涉后，完成了到达北极的非凡壮举。1911年，Roald 在一场历史性的比赛中成为第一个到达南极点的人，击败了他的竞争对手 Scott和他的团队，后者在探险中不幸丧生。我们甚至超越了：1969年7月20日，阿波罗11号成功登陆月球，标志着太空探索史上的非凡胜利。

在成长过程中，我一直对推动人类努力的动机怀有深深的好奇心。Roald 坚持不懈地追求，继续探索东北航道。 没有被让他的船员们被困在象岛上数月的痛苦的耐力磨难所吓倒，他开始了进一步的海上探险。莱特兄弟坚持进行试飞，即使其中一人在事故中受了重伤。1947年，挪威人类学家Thor 通过将轻木和麻绳绑在一起来建造一个基本的木筏。他从秘鲁的卡亚俄起航，踏上了穿越太平洋的旅程，旨在证明南美洲原住民可能早在 时代之前就已经通过类似的原始木筏航行到达了波利尼西亚。这些故事的核心是我们的旅行癖。正是这种对探索和发现的不可抑制的渴望，推动着我们作为个体和文明向前迈进。它是一种将不可能变成可能，将难以想象变成现实的力量。

我们生来就有一种永不满足的好奇心，一种探索未知事物的强烈渴望，并发现我们目前无法理解的东西。这种与生俱来的品质是我们作为一个物种进步的基础，推动我们突破界限，挑战规范，解开我们周围的神秘面纱。纵观历史，我们对探索和发现的追求取得了令人瞩目的成就。这就是我们航行未知水域、攀登高耸的山峰并冒险进入未知深处的原因。我们渴望揭开宇宙的秘密，潜入我们未开发的海洋深处，深入研究科学和技术的奥秘，这些都推动了塑造我们世界的巨大突破。

我们是非凡遗产的继承者。从勇敢的探险家，在不知前方是什么的情况下扬帆起航，到揭开宇宙秘密的无畏科学家，他们每个人都体现了存在于我们内心的探索精神。今天，这种精神仍然存在于我们每个人的心中。它存在于我们追逐的梦想中，存在于我们拥抱的挑战中，存在于我们选择走的未知道路上。这是大胆地问“如果呢？”，以及追求答案的勇气，即使路径不确定。在逆境中，正是这种不屈不挠的探索精神，推动着我们前进。这是一种信念，即没有挑战是不可逾越的，没有地平线是遥不可及的，也没有问题是无法解决的。正是对知识的不懈追求、对发现的渴望以及超越舒适区的勇气，才定义了我们是谁。

因此，让我们拥抱这种探索精神，不仅在物理意义上，而且在我们生活的方方面面。让我们探索我们思想的未知领域，寻找新的机会，并无所畏惧地追逐我们的抱负。让我们敢于创新，敢于创造，敢于梦想。我敦促你们所有人拥抱这种与生俱来的探索、发现和不懈追求未知的愿望。因为在这种追求中，隐藏着释放我们最大潜力和塑造超越我们最疯狂想象的未来的关键。

三、我还想做些什么

你有没有试过想象一些你完全不熟悉的东西？例如，想象一种只听说过但从未见过的鸟类或昆虫？在没有明确、切实的例子的情况下，抓住一个你模糊地遇到过的新概念怎么样？我思考了这些情况，发现我的思想经常在我获得的价值观和知识的范围内运作。尽管我渴望自由思考和创造，但我发现我的能力在某种程度上受到我所知道的局限性的限制。很明显，想象力和创新的解放在很大程度上依赖于我们的知识和技能范围。

技能使我们能够应对挑战并抓住机遇。无论是有效沟通、解决复杂问题还是创造新事物的能力，我们的技能都决定了我们如何有效地驾驭各种情况。凭借多样化的技能，我们更有能力适应不同的环境和环境加州大学伯克利分校博士后，科研进展 | 加州大学伯克利分校：通过穿越双玻色子阶梯为基于高维量子比特的量子处理器赋能，使我们有信心追求自己的抱负。

内识就像一盏指路明灯，照亮我们可用的路径。它为我们建立对世界的理解奠定了基础，使我们能够做出明智的决定和选择。我们知道的越多，我们的视野就越广阔。这种意识使我们能够做出符合我们的兴趣和价值观的选择，从而培养我们生活中的自主意识。

获取知识和磨练技能是一项意义深远的努力。对我来说，这是由杰出的老师、导师和同事的宝贵影响塑造的，我有幸在我人生的关键时刻遇到。他们的影响，有时就像轻轻拍拍我的肩膀或说几句承认我辛勤工作的客气话一样简单，就是坚持和放弃之间的区别。如果没有吸收他们的意志和信念，我可能就没有毅力在我的旅程中坚持下去。目睹个人以正直、智慧和同理心为榜样，我们自然会受到启发，效仿他们的道路。

我的愿望是发扬他们的遗产，培养对新冒险和科学发现的热情，从而扩展我们的集体知识，同时促进耐心、毅力和纪律的美德，以完成任务。我努力宣传这样一种观念，即一个人的成就可以超越一个人卑微的起点的限制，以表明卑微的背景并不限制一个人通过努力工作、决心和毅力可以达到的高度。我希望鼓励人们相信，有意义的成就植根于奉献精神、韧性和从挫折中吸取教训的能力，与一炮而红和迅速成功的诱惑形成鲜明对比。

在我的旅程中，我试图聚集一群志同道合的同事，他们享受探索未知事物的乐趣。我努力营造一种充满积极性并激励内心的人的工作环境，一种不断学习和蓬勃发展的创造力的文化，这种态度不仅以成功为目标，而且鼓励个人成长。旅途中的陪伴或许比旅程的目的地更重要。如果你们有相同的抱负和决心，我们就有潜力为实现我们的共同目标开辟一条共同的道路。有时，我凝视着宇宙，感到一种深深的敬畏和惊奇。反思宇宙的浩瀚和我们在宇宙中的存在，使我充满信心，我们不仅有机会联合起来，而且我们也有能力朝着我们共同的目的地前进。

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