低噪声换能器可以弥合微波和光学量子比特之间的差距

为了构建超导量子计算机，世界各地的研究人员正在努力开发在微波域中运行的电路，使用微波辐射的单个粒子（微波光子）作为量子比特——量子计算的基本构建块

这些微波量子位是构建量子计算机的主要方法，因为它们易于控制和可扩展的制造。这些设备需要冷却到约30毫开尔文（-459.6华氏度）的超低温，以保持足够低的背景噪声，以便检测和处理单个微波光子

但是微波光子在室温下很快就会失去量子信息（诱饵）。为了在室温下通过目前互联网上使用的光缆传输这些量子比特，微波光子需要转换为更高能量的光子。这种转换可以实现大规模分布式超导量子计算机的构建

现在，由加州理工学院电气工程和应用物理学助理教授Mohammad Mirhosseini领导的一个研究小组开发了一种片上传感器，以帮助弥合这一巨大的能量差距。硅器件执行逐步变换以将微波光子转换为光子。这项工作发表在《自然纳米技术》杂志上

新设备涉及一个微小的硅束，其振动频率为5千兆赫，并耦合到微波谐振器——本质上是一个纳米级的盒子，光子在其中以5千兆赫的频率反弹。使用Mirhosseini实验室之前为量子应用开发的一种称为静电致动的技术，微波光子在该箱内转换为光束的机械振动，在激光的帮助下，机械振荡被谐振腔转换为光光子

“尽管很难在微波和光学光子之间获得直接耦合，但在微波光子和力学之间获得大的耦合相对容易，然后是力学和光学光子，”加州理工学院电气工程研究生、该论文的共同主要作者William Chen和前加州理工大学博士后学者Han赵说

工程师使用几个指标来分析这种转换技术的有效性。在这些指标中，最重要的是将噪声或虚假信号的引入保持在最低限度

“我们的方法与制造机械振荡器的确切材料无关，”Chen解释道，“因此我们能够用硅制造换能器，硅在激光照射下几乎没有加热。这使我们能够获得我们在这项工作中能够实现的低噪声水平。”

另一个重要指标是方法效率的乘积，即它将微波光子转换为光光子的能力，以及它的周转率，或者设备可以重复使用的速度。加州理工学院的设备能够将微波光子转换为光子，在相同的噪声量下，比以前最先进的系统好大约100倍

Mirhosseini说：“在此之前，我们在以越来越低的噪音实现越来越高的效率方面取得了逐步的进展。现在我们已经制造出了一个与现有系统相比可以实现真正高效率的系统。”。“我们的设备也更容易在更大的规模上制造，所以我们很高兴它有可能让我们进行以前无法实现的演示。”加州理工学院研究生Abhishek Kejriwal也是这篇论文的作者 More information: Han Zhao et al, Quantum-enabled microwave-to-optical transduction via silicon nanomechanics, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01874-8

Journal information: Nature Nanotechnology