Engineering multi-photon dissipation with a dc-voltage-biased Josephson junction
本文表明，直流电压偏置的 SQUID 可以通过工程化实现多光子耗散（将一个、两个或四个光子转化为单个损耗光子），同时抑制寄生非线性，为稳定猫比特和储库工程提供了一条可行途径。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在量子计算这个寂静的世界里，机器在现实的最边缘运行，其最大的敌人往往是环境本身。量子比特——这些机器中基本的信息单元——极其脆弱。来自外界哪怕最轻微的触碰都会导致它们丢失信息，这一过程被称为退相干。几十年来，科学家们一直试图完全隔离这些比特，通过建造屏蔽层来阻挡噪声。然而，一个更近、更具反直觉性的想法出现了：与其对抗环境，不如学会利用它。通过精心设计量子系统与其周围环境的相互作用方式，研究人员可以将不可避免的能量损失转化为一种工具。这种被称为“量子储库工程”（quantum reservoir engineering）的技术，允许科学家将系统引导至一个特定的、稳定的状态，从而有效地利用环境来清理错误并保护信息。
挑战在于，如何找到一种既能实现这一目标，又不会引入新问题的方法。在超导电路（构建量子计算机的主要平台之一）中，科学家传统上使用一种涉及快速、节奏性能量脉冲的方法来创造这些保护状态。虽然这种方法有效，但过程很杂乱。用于产生预期效果的脉冲本身也会产生不想要的副作用，例如系统行为中微小且不可预测的偏移，且随着脉冲增强，这些偏移会变得更加严重。这些副作用限制了系统的控制能力，成为了性能的上限。问题依然存在：是否有一种更干净的方式来工程化这种耗散，从而完全避免这些寄生副作用？
来自法国的研究人员与 Alice & Bob 公司的一支团队现在展示了一个解决方案。他们构建了一个利用恒定的直流电压来控制能量流，而非使用通常的快速脉冲的电路。他们的设备由两个主要部分组成：一个高质量的存储谐振器，充当量子信息的记忆；以及一个易损谐振器，充当排水口。两者通过一个被称为 SQUID 的微型电子元件连接，该元件表现得像一个可控的量子能量阀门。通过在 SQUID 上施加直接电流电压，研究人员创造了一条新的能量流动路径。
其机制依赖于超导体的一个基本特性，即被称为库珀对（Cooper pairs）的电子对在结处隧穿。当施加电压时，这些电子对会获得或失去精确的能量。研究人员调节了电压，使得隧穿电子对获得的能量恰好等于将存储谐振器中的两个光子转换为易损排水器中一个光子所需的能量。这一过程具有高度特异性。由于能量平衡是由电压本身设定的，系统自然地过滤掉了困扰脉冲方法的那些杂乱、不想要的相互作用。研究人员证明，该装置不仅可以一次移除两个光子，还可以被调节为一次移除一个、四个甚至更多光子，同时保持不想要的副作用几乎为零。
为了证明其方法有效，团队在存储谐振器中填充了一个包含平均四个光子的特定量子态。随后，他们开启电压偏置并观察发生了什么。在标准系统中，光子会缓慢且随机地泄漏。而在他们设计的工程化系统中，光子以成对的形式快速消失。在约 50 纳秒内，复杂的量子态坍缩为一个仅包含零个或一个光子的简单状态。这种快速、有针对性的能量对移除，正是稳定一种被称为“猫比特”（cat qubit）的特殊量子比特所必需的，这种比特旨在对某些类型的错误具有免疫力。
研究人员还测量了他们的系统在多大程度上避免了通常伴随此类强相互作用而来的不想要副作用。他们发现，存储器的自然频率保持稳定，没有发生不可预测的偏移，这表明寄生项确实已平均抵消为零。他们还证实，该系统可以处理将四个存储光子转换为一个排水光子的过程，这是一个在使用传统脉冲方法时极难隔离的高阶过程。尽管由于布线和滤波方面的缺陷，系统仍显示出一些微小的损失，但团队计算出，通过更好的工程设计，这些损失可以显著降低。
这项工作为构建更稳健的量子计算机提供了清晰的前行路径。通过用简单的恒定电压取代复杂、多噪的脉冲，研究人员证明了创造一个干净、高效的错误移除通道是可能的。这种在不携带通常副作用的情况下，同时工程化多个光子损耗的能力，表明了一种保护量子信息的新方法。研究人员总结道，通过对滤波进行适度改进，这种方法可以成为稳定下一代量子比特的标准工具，将与环境不可避免的相互作用从误差来源转变为控制的强大资源。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。