近日，日本产业技术综合研究所（AIST）物理测量标准研究部的Shuji Nakamura博士研究小组、与东京理科大学的教授Tsai Zhaishen和在读研究生Teruaki Yoshioka等人共同开发了一种利用光子吸收进行量子电路冷却的快速评估技术。
该技术利用超导量子比特被激发时的频率变化来快速评估量子电路中的能量损失，并通过探测超导和常导结吸收光子后量子电路中剩余的不到一个光子的能量，来为实现更快、更高保真度的量子比特初始化设备的开发和研究做出贡献。
在通过微纳加工技术制造的微米级电路中，在极低的温度下会出现量子力学现象。利用这些现象，可以实现传统技术无法达到的计算能力和测量灵敏度，正因为如此，量子技术的发展才引起全世界的广泛关注。近年来，已经证实了在这样的量子电路中，超导体和正常导体连接的元件（超导-常导结）具有吸收此类量子电路中残余光子的能力，这种元器件被称为量子电路冷却器（QCR），相关研究正在推进。例如，当QCR通过用于困住光子的共振器与超导量子比特连接时，这种元器件可以从量子比特中获取能量并高速初始化量子比特。在目前正积极开发的包含量子纠错的量子计算机中，需要反复初始化量子比特，因此实现高速且高保真度的量子比特初始化技术备受期待。虽然量子电路冷却是一种有望实现量子比特如此快速初始化的手段，但迄今为止，研究人员始终无法准确检测出在共振器被QCR吸收能量后，共振器中究竟还剩下多少能量（光子）。这是因为用于量子电路冷却研究的能量测量不可避免地受到比光子吸收量大数十倍的测量电路中放大器噪声的影响。由于共振器中剩余的能量是导致量子比特故障的一个因素，因此急需一种能够快速、高灵敏度地测量冷却后共振器中残留能量的技术。
超导体和正常导体之间接合的元件可以通过光子吸收对放置在极低温环境中的电路进行电气冷却。近年来，已经开发出了一种利用这种光子吸收快速初始化超导量子比特的技术，有望帮助改善超导量子计算机中遇到的问题。然而，迄今为止，还无法高精度地测量光子吸收后量子电路中剩余的具体光子数量。
在这项研究中，通过测量光子吸收后超导量子比特激发频率的变化，使研究人员能够快速且高精度地检测到冷却后残留在电路中的少于一个光子的微小能量。结果表明，这种量子电路冷却技术即使在光子数小于1晶粒的量子区域的电路中也是有效的。这项研究将有助于精确评估利用光子吸收的量子电路冷却技术的冷却能力，并推动最佳量子电路冷却装置的开发。此外，研究人员未来将利用这种量子电路冷却技术进行更快速、更高保真度的量子比特初始化技术的研究，并改进量子比特状态泄漏等问题。
在该项目中，研究人员专注于当超导和常导结吸收来自谐振器的光子时，超导量子比特的激发频率发生变化的现象，并通过在光子吸收后对量子比特进行光谱测量，从而得到了共振器中残留的光子数。这项研究和开发得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究项目20KK0335和20H02561的资金支持。
未来，AIST计划利用这一测量技术，来开发和评估旨在更快、更高保真度地初始化超导量子比特的设备。此外，研究不仅限于超导量子比特和共振器，还将展示在磁性材料等特殊材料实现的量子电路中量子电路冷却的有效性，通过抑制热量和外部环境的影响，来进一步促进量子技术的社会应用研究。
该技术的详细信息已于2025年1月10日发表在《Physical Review Applied》期刊中。（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.L011003）
