超導(dǎo)電路是制造量子計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)，因?yàn)樗鼈兪强煽康?，而且容易大?guī)模生產(chǎn)。但是這些電路必須在低溫下工作，而且將它們與室溫電子裝置連接的方案很復(fù)雜，容易使量子比特過(guò)熱。一臺(tái)能夠解決任何類(lèi)型問(wèn)題的通用量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)需要約100萬(wàn)個(gè)量子比特。傳統(tǒng)的低溫箱：帶有金屬線(xiàn)路的超低溫稀釋冰箱最多只能支持?jǐn)?shù)千個(gè)。

作為電信網(wǎng)絡(luò)主干的光纖，有一個(gè)玻璃或塑料芯，可以攜帶大量的光信號(hào)而不傳導(dǎo)熱量。但超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)使用微波脈沖來(lái)存儲(chǔ)和處理信息。因此，光需要被精確地轉(zhuǎn)換為微波。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，NIST的研究人員將光纖與其他一些標(biāo)準(zhǔn)組件結(jié)合起來(lái)，這些組件在單粒子或光子的水平上轉(zhuǎn)換、傳遞和測(cè)量光，然后可以很容易地將其轉(zhuǎn)換為微波。該系統(tǒng)的工作效果與金屬線(xiàn)路一樣好，并保持了量子比特的脆弱量子狀態(tài)。

通常情況下，研究人員在室溫下產(chǎn)生微波脈沖，然后通過(guò)同軸金屬電纜將它們傳遞給低溫保持的超導(dǎo)量子比特。NIST的新做法使用了一根光纖而不是金屬來(lái)引導(dǎo)光信號(hào)到低溫光電探測(cè)器，該探測(cè)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換回微波并將其傳遞給量子比特。出于實(shí)驗(yàn)比較的目的，微波可以通過(guò)光子鏈路或普通的同軸線(xiàn)路被輸送到量子比特。

光纖實(shí)驗(yàn)中使用的 "transmon"量子比特是一個(gè)被稱(chēng)為約瑟夫森結(jié)的裝置，它被嵌入到一個(gè)三維儲(chǔ)能器或腔體中。這個(gè)結(jié)由兩個(gè)被絕緣體隔開(kāi)的超導(dǎo)金屬組成。在某些條件下，電流可以穿過(guò)該結(jié)，并可能來(lái)回振蕩。通過(guò)應(yīng)用一定的微波頻率，研究人員可以在低能量和激發(fā)狀態(tài)（數(shù)字計(jì)算中的1或0）之間驅(qū)動(dòng)該量子比特。這些狀態(tài)是基于庫(kù)珀對(duì)的數(shù)量，這是一種具有相反性質(zhì)的綁定電子對(duì)，它們已經(jīng) "穿越"了約瑟夫森結(jié)。

NIST團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，利用光子鏈接產(chǎn)生微波脈沖，測(cè)量或控制量子比特的量子狀態(tài)。該方法是基于兩種關(guān)系。微波在腔體中自然來(lái)回反彈的頻率，稱(chēng)為共振頻率，取決于量子比特的狀態(tài)。而量子比特切換狀態(tài)的頻率取決于腔體中的光子數(shù)量。

研究人員用一個(gè)微波發(fā)生器開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。為了控制量子比特的量子狀態(tài)，被稱(chēng)為電光調(diào)制器的裝置將微波轉(zhuǎn)換為更高的光學(xué)頻率。這些光信號(hào)通過(guò)光纖從室溫到4開(kāi)爾文（零下269攝氏度或零下452華氏度）流向20毫開(kāi)爾文（千分之一開(kāi)爾文），在那里它們落入高速半導(dǎo)體光電探測(cè)器，后者將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回微波，然后被發(fā)送到量子電路。

在這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員以量子比特的自然共振頻率向其發(fā)送信號(hào)，以使其進(jìn)入所需的量子狀態(tài)。當(dāng)有足夠的激光功率時(shí)，量子比特在其接地和激發(fā)狀態(tài)之間振蕩。

為了測(cè)量量子比特的狀態(tài)，研究人員使用紅外激光器以特定的功率水平發(fā)射光，通過(guò)調(diào)制器、光纖和光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量腔體的共振頻率。

研究人員首先在抑制激光功率的情況下啟動(dòng)了量子比特的振蕩，然后利用光子鏈路向空腔發(fā)送一個(gè)微弱的微波脈沖。腔體頻率在98%的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地顯示了量子比特的狀態(tài)，與使用常規(guī)同軸線(xiàn)路獲得的精度相同。在這個(gè)基礎(chǔ)上，研究人員設(shè)想了一種量子處理器，其中光纖中的光向量子比特傳輸信號(hào)，每根光纖都有能力攜帶成千上萬(wàn)的信號(hào)進(jìn)出量子比特。