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探索量子超导电路的世界罗德里戈博士Cortiñas，耶鲁大学量子电子学实验室博士后研究员
在最近由牛津仪器纳米科学(Oxford Instrument NanoScience)主办的《今日物理》(Physics Today)网络研讨会上，Cortiñas讨论了经典电路与量子电路的构建、量子比特的哈密顿工程以及克尔-猫量子比特如何“活”起来。
我想说，在内心深处，所有的电路——连同自然界的其他部分——都是量子的。在现实生活中发现的大多数情况下，量子效应都被完全冲掉了，剩下的就是我们所知道的经典物理学。简而言之，量子电路是一种“非线性”至少在一段时间内克服了耗散的电路。这是很有启发性的，如果耗散项主宰哈密顿量中的非线性项量子修正将永远见不到曙光…如果我刚才说的不是很明显，我想说这是因为量子世界(通常在希尔伯特空间中表述)和经典世界(在相空间中表述)之间存在语言鸿沟。另一方面，如果我们把量子算符带到相空间，那么两个理论之间的平行是透明的。的薛定谔方程成为经典刘维尔方程加上与的幂成比例的修正！碰巧，对刘维尔方程的修正不仅正比于也与哈密顿量的非线性成正比。最后的评论可能是，当耗散被引入时(无论是经典的还是量子的)，方程获得的项的规模非常像“量子修正”。这就是为什么要制造量子电路，我们需要在稀释冰箱中使用无耗散超导体。不仅如此，系统还必须是极其非线性的(否则你就只能得到一个无摩擦的经典系统!)令人高兴的是，在超导领域，我们有一个无耗散的高度非线性元素:约瑟夫森结。在低温下制造的电路，包括约瑟夫森结，很容易克服表现量子行为的要求。
所以，你有这些超导材料和这些约瑟夫森结但是你要用它们做什么呢?好吧，实际上，用这么少的积木就能构建出质量上不同的系统的数量是巨大的。哈密顿工程通常被理解为制造硬件就像你想要的那样，用你的砖。例如，在量子计算中，我们正在寻找能够“很好地”保存量子信息的系统，该系统对参数变化具有鲁棒性，并且可以快速运行。如今，在通往全能量子计算机的道路上，许多障碍都是技术限制。当考虑到量子比特时，哈密顿工程是制造新的和更好的系统的任务，这将允许量子信息处理的技术实现。此外，还有一个非常有趣但尚未充分探索的方向，即工程-驱动编码信息的系统。这个方向在耶鲁仍然是一个活跃的研究课题。就像一个普通的篮球只有在快速旋转时才能稳定在你的手指上一样，一些原本不起眼的量子比特在被驱动时变得非常稳定。此外，与原子离子的驱动(保罗)陷阱实现静态场基本上不可能实现的事情(由于恩肖定理)相同，驱动量子电路可以在没有静态模拟的情况下表现出行为，它们可能是克服严重技术限制的关键。一个很好的例子是最近在耶鲁大学开发的Kerr-cat量子比特。
许多这样的宠物在耶鲁已经存在很长一段时间了，科尔猫是最新的一种。这些类型的量子比特被称为猫，因为它们是“经典”态的量子叠加，让我们想起了20世纪30年代由Schrödinger编造的猫的故事。有趣的是，这个寓言直到今天还在传递一个教训:经典状态的叠加是不稳定的。不管这些说法如何，多亏了最近的技术进步，用猫来操纵量子信息的无礼想法开辟了新的意想不到的有前途的方向。这种说法可能会反过来说，在不消除矛盾修饰法的情况下，关键在于“经典”态非常稳定，现在我们可以叠加它们来完成量子任务。
特别是Kerr-cat是对该领域理解发展的一个很好的例子……它说明了i)非线性和耗散之间的相互作用，ii)硬件哈密顿工程，更重要的是iii)驱动哈密顿工程的力量。我可以简单地解释一下我自己:I)耗散总是存在的，非线性，听起来像量子一样，也带来了各种附带的问题，所以我们想要足够但不要太多，实际上，我们希望如此之少，以至于静态哈密顿量会变得令人讨厌。ii)为了让Kerr-cat活起来，需要使用一个蜗牛传子，这是硬件工程的壮举，提供了一个罕见的3波混合偶极子元件(也是耶鲁大学开发的)，但重要的是iii)只有通过强烈驱动蜗牛，Kerr-cat才被创造出来。事实上，带有Kerr-cat量子比特的驱动SNAIL比相应的非驱动静态量子比特高出几个数量级。量子工程师的底线是，驱动你的系统可以增强一个弱非线性，避免许多技术问题。这些概念的表达使得Kerr-cat这样的驱动量子比特成为可能。
在Qlab，我们目前有五个工作中的低温恒温器，每个恒温器都有不同的研究项目。它们都来自牛津仪器公司。bob平台下载手机版在这里，我们都在强烈地驱动我们的系统，这需要一个强大的低温环境来保持低温，因为像克尔猫这样的量子比特的诞生、生存和死亡。我们还依靠来自牛津仪器公司的现场支持。bob平台下载手机版如果我们遇到一个低温恒温器的问题，或者如果某些东西不能正常工作，我们有人可以求助。对学生来说，与低温学专家直接互动是非常有教育意义的，并帮助他们培养成为超导电路领域的专家研究人员所需的技能。
关于Kerr-cat的原始论文，请参见:自然584 (2020)205-209
罗德里戈博士Cortiñas
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