奥地利科学技术研究所（ISTA）的一组物理学家实现了超导量子比特的全光学读出，本文的第一作者之一托马斯·维尔纳（Thomas Werner）说。来源：ISTA

量子比特，作为量子信息的基本构成单元，正引领着科技行业迈向新的高度，其中超导量子比特被视为构建大规模量子计算机的有力候选者。然而，这些依赖于电信号的量子比特在扩展性上遇到了瓶颈。

近日，奥地利科学技术研究所（ISTA）的物理学家团队取得了一项关键突破，他们成功实现了超导量子比特的全光学读出，这一成果发表在《自然物理学》杂志上。这项技术的创新之处在于，它让量子比特能够与光纤“对话”，从而显著减少了测量所需的低温硬件数量，为扩大量子计算机规模铺平了道路。

在此之前，超导量子计算机需要在接近绝对零度的极低温度下运行，以确保量子比特能够稳定工作。然而，电信号在这些条件下传输信息的能力有限，易受噪音干扰，且需要复杂的低温冷却系统和昂贵的电子元件进行滤波和放大。这不仅增加了成本，也限制了量子计算机的扩展性。

相比之下，光纤中的光信号具有高带宽、低损耗和低散热的优势。如果量子比特能够“听懂”光纤的语言，那么利用光信号来读取和操控量子比特将成为可能，从而大幅提升量子计算机的性能和扩展性。

ISTA的物理学家团队正是基于这一思路，通过精心设计和实验，成功实现了超导量子比特的全光学读出。他们利用高能量的光信号在细光纤中传播，与量子比特进行交互，并通过检测反射回来的光信号来读取量子比特的状态。这一过程不仅减少了低温硬件的需求，还为在室温下通过光纤连接超导量子计算机网络奠定了基础。

尽管这一突破为量子计算机的发展带来了新的希望，但要想实现真正“有用”的量子计算机，还需克服许多技术障碍。不过，随着科学家们的不断努力和探索，相信量子计算机的未来将会更加光明。

稀释冰箱中传统和光学量子位读出装置的比较。来源：《自然物理》（Nature Physics, 2025）。DOI: 10.1038/s41567-024-02741-4

为了在超导量子硬件上实现全光学读出，奥地利科学技术研究所（ISTA）的团队面临着一个挑战：如何将光信号有效地“翻译”给量子比特，并再从量子比特那里获取反馈并转换回光信号。他们找到了一个巧妙的解决方案——使用电光换能器。

这个换能器就像是一个翻译官，它能把光信号转换成微波频率的电信号，这是量子比特能够理解的“语言”。当量子比特接收到这个微波信号后，它会作出反应，反射出一个微波信号。换能器再次发挥作用，将这个微波信号转换回光信号，从而完成了整个“翻译”过程。

团队成员托马斯·维尔纳强调，这个过程非常微妙，他们必须确保在向量子比特发送红外光时，不会破坏其超导性。通过使用电光换能器作为开关，他们成功地将量子比特与外部世界连接起来，实现了信息的传递。

这一突破对于量子计算机的发展具有重要意义。因为传统的读出方法依赖于电信号，这不仅需要大量的低温冷却设备来保持量子比特的稳定性，而且电信号本身也容易出错，需要额外的技术来校正。而全光学读出则避免了这些问题，它大大降低了测量超导量子比特时的热负荷，使得我们可以使用更多的量子比特进行量子计算。

此外，全光学读出还简化了读出系统的结构，减少了繁琐的电子元件的使用。这不仅使系统更加健壮和高效，还降低了成本。更重要的是，这一技术允许科学家使用光纤连接多个量子计算机，从而进一步增加了可用超导量子比特的数量。

目前，量子计算机需要庞大的“稀释冰箱”来冷却整个测量装置，包括处理器?？橹涞牧?。但这些冰箱有实际的体积和冷却限制，从而限制了可用量子位的数量。而现在，使用光纤连接两个位于不同稀释冰箱中的量子位可能即将成为现实。

阿诺德表示：“基础设施是可用的，现在我们有了技术，可以建立第一个简单的量子计算网络?！本」躀STA的物理学家们已经取得了这一重要里程碑，但他们深知还有很长的路要走。他们的原型机在性能和所需光功率方面仍有待提升，但作为原理证明，全光学读出超导量子比特是可行的。推动这项技术进一步发展将是整个行业的责任。