科学家在降低噪声的同时增强量子信号

任何量子系统都固有一定量的噪声。例如，当研究人员想要从量子计算机读取信息时，量子计算机利用量子力学现象来解决某些对经典计算机来说过于复杂的问题，同样的量子力学也会产生最低限度的不可避免的误差，从而限制测量的准确性。

科学家可以通过使用“参数”放大来“挤压”噪声来有效地绕过这一限制 - 一种量子现象，可以减少影响一个变量的噪声，同时增加影响其共轭伙伴的噪声。虽然噪声总量保持不变，但它有效地重新分配。然后，研究人员可以通过仅查看低噪声变量来进行更准确的测量。

来自麻省理工学院和其他地方的一组研究人员现在已经开发出一种新的超导参数放大器，该放大器以以前的窄带挤压器的增益工作，同时在更大的带宽上实现量子挤压。他们的工作首次展示了在高达1.75千兆赫的宽频率带宽上进行挤压，同时保持高度的挤压(选择性降噪)。相比之下，以前的微波参数放大器通常仅实现100兆赫兹或更低的带宽。

这种新的宽带设备可以使科学家更有效地读取量子信息，从而产生更快，更准确的量子系统。通过减少测量误差，该架构可用于多量子比特系统或其他需要极高精度的计量应用。

“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。使用我们的架构，只需一个放大器，理论上就可以同时读出数千个量子位，“电气工程和计算机科学研究生Jack Qiu说，他是工程量子系统小组的成员，也是详细介绍这一进展的论文的主要作者。

资深作者是威廉·D·奥利弗，亨利·埃利斯·沃伦电气工程和计算机科学以及物理学教授，量子工程中心主任和电子研究实验室副主任;以及电气工程和计算机科学的伊曼纽尔·E·兰兹曼职业发展教授凯文·奥布莱恩。这篇论文将发表在《自然物理学》上。

挤压低于标准量子极限的噪声

超导量子电路，如量子比特或“量子比特”，在量子系统中处理和传输信息。该信息由包含光子的微波电磁信号携带。但是这些信号可能非常微弱，因此研究人员使用放大器来提高信号电平，以便进行干净的测量。

然而，被称为海森堡不确定性原理的量子特性要求在放大过程中添加最少量的噪声，从而导致背景噪声的“标准量子极限”。然而，一种称为约瑟夫森参数放大器的特殊器件可以通过有效地将其重新分配到其他地方来将其“挤压”到基本极限以下来降低增加的噪声。

量子信息以共轭变量表示，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其中一个变量 - 振幅或相位 - 就可以确定系统的量子态。在这些情况下，他们可以“挤压噪声”，降低一个变量(例如振幅)的噪声，同时提高另一个变量的噪声，在这种情况下是相位。由于海森堡的不确定性原理，噪声总量保持不变，但其分布可以以这样一种方式塑造，即在其中一个变量上进行噪声较小的测量。

传统的约瑟夫森参数放大器是基于谐振器的：它就像一个回声室，中间有一个称为约瑟夫森结的超导非线性元件。光子进入回声室并反弹以多次与同一个约瑟夫森结相互作用。在这种环境下，由约瑟夫森结实现的系统非线性得到增强，并导致参数放大和挤压。但是，由于光子在退出之前多次穿过同一个约瑟夫森结，因此该结受到压力。因此，基于谐振器的放大器可以容纳的带宽和最大信号都是有限的。

麻省理工学院的研究人员采取了不同的方法。他们没有在谐振器中嵌入单个或几个约瑟夫森结，而是将3多个结链接在一起，从而创建了所谓的约瑟夫森行波参数放大器。光子在从一个结点到另一个结点时相互作用，导致噪声挤压而不会对任何单个结施加压力。

Qiu说，他们的行波系统可以承受比基于谐振器的约瑟夫森放大器高得多的信号，而没有谐振器的带宽限制，从而导致宽带放大和高水平的挤压。

“你可以把这个系统想象成一根很长的光纤，另一种类型的分布式非线性参数放大器。而且，我们可以推送到 10，000 个或更多路口。这是一个可扩展的系统，而不是共振架构，“他说。

几乎无噪音放大

一对泵浦光子进入设备，作为能量源。研究人员可以调整来自每个泵浦的光子的频率，以产生所需的信号频率的挤压。例如，如果他们想挤压6千兆赫的信号，他们会调整泵，分别发送5千兆赫和7千兆赫的光子。当泵浦光子在设备内部相互作用时，它们结合产生放大信号，其频率正好位于两个泵浦的中间。这是一种更通用现象的特殊过程，称为非线性波混合。

“噪声的挤压是由参数过程中产生的双光子量子干涉效应引起的，”他解释说。

这种架构使他们能够将噪声功率降低到基本量子极限以下10倍，同时以3.5千兆赫的放大带宽工作 - 频率范围几乎比以前的设备高两个数量级。

Qiu说，他们的设备还展示了纠缠光子对的宽带生成，这将使研究人员能够以更高的信噪比更有效地读取量子信息。

虽然邱和他的合作者对这些结果感到兴奋，但他说仍有改进的余地。他们用于制造放大器的材料会引入一些微波损耗，这会降低性能。展望未来，他们正在探索可以改善插入损耗的不同制造方法。

“这项工作并不意味着是一个独立的项目。如果将其应用于其他量子系统，它具有巨大的潜力 - 与量子比特系统接口以增强读出，或纠缠量子比特，或扩展用于暗物质检测的设备工作频率范围并提高其检测效率。这基本上就像是未来工作的蓝图，“他说。

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