引言

2024年，量子计算领域迎来两项重要突破。奥地利科学技术研究所（IST Austria）联合荷兰OphoX公司、中国浙江大学等团队，以及荷兰Qphox公司与美国Rigetti Computing的跨国合作团队，分别在《自然·物理》期刊发表论文，展示了全光学超导量子比特读取技术。前者通过电光转换器实现无循环器的光学读出，后者则采用压电光机械转换器完成模块化光纤连接。这两项研究标志着量子计算机向大规模扩展迈出了关键一步，为解决传统微波读出的空间与热负载瓶颈提供了创新方案。

第一章 研究背景：量子计算的“线缆困境”

1.超导量子比特的崛起与挑战

超导量子比特凭借其优异的可控性和较长的相干时间，已成为量子计算的主流载体之一。目前最先进的量子处理器已集成数百个量子比特，但若要实现百万量子比特规模的容错计算，现有技术面临严峻挑战：每增加一个量子比特，就需要额外的高频同轴电缆、低温衰减器、隔离器和放大器。这些微波元件不仅占用宝贵的低温空间，还会产生显著的热负载。稀释制冷机的冷却能力有限（通常仅微瓦级），数百根同轴电缆的传导热量足以使系统温度从毫开尔文升至数十毫开尔文，严重破坏量子比特的相干性。

2.光纤替代微波的必然性

传统数据中心的经验为量子计算提供了启示——光纤替代铜缆已成趋势。光纤在电信波长（1550 nm）的传输损耗低至0.2 dB/km，热导率比铜低6个数量级。将这一理念引入量子领域，意味着用光脉冲替代微波信号进行量子态读取，理论上可将单根光纤的被动热负载从微瓦级降至纳瓦级。此外，光纤的密集波分复用技术允许单根光纤承载数千个独立信道，大幅缓解空间约束。

3.早期尝试与技术瓶颈

过去十年间，研究者探索了多种微波-光转换方案。例如：

• 电光调制器：利用铌酸锂晶体的普克尔斯效应，将微波信号加载到光载波上。但早期器件在低温下效率不足（<0.01%），且需要额外微波泵浦。

• 光机械系统：通过纳米机械振子耦合微波与光波。2018年加州理工学院团队实现超导量子比特到光子的转换，但带宽仅千赫兹级。

• 约瑟夫森参量放大器：虽能实现量子极限放大，却需要复杂的微波隔离网络，难以扩展。

这些方案普遍存在效率低、带宽窄或噪声高等问题，无法满足实际量子处理器的需求。

第二章 研究内容：从实验室到工程突破

奥地利团队：电光转换器的三重共振奇迹

图1 a) 典型微波输入-微波输出方案；b) 电光调制模块取代微波输出；c) 全光学方案。

1.设备设计

研究团队开发了一种基于铌酸锂回音壁模式谐振器的电光（EO）收发器。该装置直径仅毫米级，通过压电执行器实现微波腔（8.8 GHz）、光学腔（193.4 THz）和量子比特腔的三重共振，在单一器件内完成微波信号的上/下变频（图1）。

2.突破性实验

• 无循环器读取：传统微波读取需要隔离反射信号的循环器（体积约1 cm³），而光学方案通过时间分复用消除反向信号干扰。实验显示，即使无屏蔽，光脉冲（峰值功率140 mW）也未对量子比特产生可观测的辐射影响。

• 保真度对比：比较三种读取方式——全微波、微波-光混合、全光学，单次读取保真度分别为85%、85%和82%。尽管光学方案因带宽限制（约10 MHz）导致信号动态较慢，但通过优化光脉冲形状（平顶高斯脉冲）仍实现了122个光子的有效测量。

• 相干性验证：测量量子比特的纵向弛豫时间T₁（约35 μs）和横向退相干时间T₂^*（约1.5 μs），发现光学读取与传统方法结果一致，证明光泵浦不会破坏量子态。

3.热管理突破

通过约瑟夫森参量放大器（JPA）监测发现，光学吸收导致的温升主要局限在转换器本体。当光纤耦合效率提升至22%时，混合室温度仅从7 mK升至75 mK（平均光功率1.7 μW），远低于传统微波链路的温升效应。

荷兰-美国团队：压电光机械的模块化方案

图2 a) 集成式压电-光机械转换器实物图；b) 实验装置原理图。

1.纳米级转换器

该团队设计了一款集成压电-光机械转换器（图2a），尺寸仅0.15 mm³。核心包括：

• 氮化铝压电块：将微波信号转换为机械振动（5.19 GHz）。

• 光子晶体纳米梁：通过光机械耦合将振动调制到1550 nm光波上。

• 超导微波谐振腔：增强电-机械相互作用，实现4.7 MHz带宽。

2.高功率读取实验

• 破坏式读取优化：利用transmon量子比特的高能级占据效应，在谐振腔驱动功率-105.8 dBm（对应腔内约90光子）时，微波读取保真度达87 %。转换为光域后，通过31 μW光泵浦（占空比5.3%）实现81 %的单次保真度。

• 噪声控制：光检测链的输入等效噪声约10⁴光子，虽高于HEMT放大器（17光子），但通过250 μs的读取间隔，有效抑制了热激发误差。

• 模块化验证：将转换器与量子比特芯片间隔40 cm，通过60 dB隔离确保光泵浦（3.1 μW连续光）对T₁（60.2 μs→58.9 μs）和T₂^*（9.03 μs→8.97 μs）无显著影响，证明分布式架构的可行性。

3.未来升级路径

• 光滤波：消除本振光子噪声，预计降低7.7 dB噪声。

• 频率匹配：优化转换器与读取谐振腔的频率对准，提升效率3 dB。

• 量子极限放大：集成行波参量放大器，进一步降低噪声20 dB。

终章 总结与展望：量子计算的“光之翼”

1.技术革命的意义

两项研究共同证明：光学读取不仅能简化低温系统（去除循环器、隔离器等），还可将单根光纤的热负载降低三个数量级。奥地利方案通过三重共振实现无源操作，荷兰方案则展示了模块化扩展潜力——理论上单根光纤可支持上千量子比特的并行读取。

2.挑战与未来方向

• 效率提升：当前电光转换效率约0.3%（奥地利）、4%（荷兰），需通过光子晶体优化或超导-光子集成提升至>10%。

• 噪声抑制：开发低温光学隔离器，减少杂散光导致的准粒子噪声。

• 全光学控制：结合近期光控量子门技术（如2023年谷歌演示的激光驱动超导量子比特），最终实现完全光互联的量子处理器。

  3.产业应用前景

随着转换器的小型化（如硅基光子集成）和标准化（QSFP光模块封装），未来稀释制冷机可能演变为“光缆矩阵”——外部室温控制器通过光纤束与低温量子芯片交互。这不仅适用于超导量子计算，还可用于单光子探测器、低温CMOS芯片的光互连，开启低温电子学的新纪元。

正如奥地利团队负责人Johannes Fink所言：“当光纤取代同轴电缆时，量子计算机将不再是实验室的珍品，而是真正可扩展的工程系统。”这场光与量子的邂逅，正在改写未来计算的蓝图。

参考文献：

1.Arnold, G., Werner, T., Sahu, R. et al. All-optical superconducting qubit readout. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02741-4

2.van Thiel, T.C., Weaver, M.J., Berto, F. et al. Optical readout of a superconducting qubit using a piezo-optomechanical transducer. Nat. Phys. (2025).

撰稿｜陈炎霖

指导丨刘玉龙