APQ 耦合装置。图片来源：自然物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02630-w
巴塞尔大学的物理学家首次成功地在宏观距离上连贯耦合了两个 Andreev 量子比特。他们借助窄超导谐振器中产生的微波光子实现了这一目标。实验结果和随附的计算结果最近发表在《自然物理学》上，为耦合安德烈耶夫量子比特在量子通信和量子计算中的应用奠定了基础。
量子通信和量子计算基于量子比特 （qubits） 作为与经典计算机中的比特相关的最小信息单位。在目前世界各地正在研究的许多不同的方法中，一个有前途的选择是使用 Andreev 对量子比特。
这些量子比特是在金属和超导体之间的界面处形成的，这个过程称为安德烈耶夫反射。在这里，来自金属的电子进入超导体，在那里它成为电子对（库珀对）的一部分——而一个行为类似于正粒子的空穴被反射回金属中。
基于这个过程，在这些材料的界面处形成离散的结合态对。它们称为 Andreev 绑定状态，可以用作量子比特的基本状态。这些状态对外部扰动相对稳健，并且相干时间（维持叠加的时间）相对较长。它们也可以很容易地控制并集成到现代电子电路中。所有这些因素都有利于开发可靠且可扩展的量子计算机。
两个量子系统之间的交换研究人员现在已经在两个安德烈耶夫量子比特之间实现了强量子力学耦合，每个量子比特都位于半导体纳米线中。结果显示与理论模型非常吻合。
“我们在长超导微波谐振器的两端将两个 Andreev 对量子比特彼此相距很远耦合。这允许谐振腔和量子比特之间交换微波光子，“巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的 Christian Schönenberger 教授解释说，他的团队进行了实验。
微波谐振器可以以两种不同的方式使用：在一种模式下，量子比特可以通过谐振器读出，从而为研究人员提供有关其量子态的信息。第二种模式用于将两个量子比特相互耦合，使它们能够在不丢失微波光子的情况下进行“通信”。然后，这两个量子比特不再彼此独立，而是共享一个新的量子态，这对于量子通信和量子计算机的发展至关重要。
“在我们的工作中，我们将三个量子系统组合在一起，以便它们可以相互交换光子。我们的量子比特本身只有大约 100 纳米的大小，我们将它们耦合在 6 毫米的宏观距离上，“该文章的合著者之一 Andreas Baumgartner 博士说。“通过这样做，我们能够证明 Andreev 对量子比特适合用作紧凑且可扩展的固态量子比特。”
更多信息：L. Y. Cheung 等人，两个 Andreev 对量子比特的光子介导的远程耦合，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02630-w
期刊信息： Nature Physics
