奥地利科学技术研究所 (ISTA) Johannes Fink 教授的研究小组，我们成功实现了超导量子位的完全光学读出，并于 2025 年 2 月 11 日在《自然物理学》上发表。
这项研究我们提出了一种新的“可扩展性”解决方案，这是量子计算机实际应用的一个重大挑战。 IBM、谷歌等公司目前正在开发的门控量子计算机的规模只有100个量子比特左右。另一方面，实用的量子计算需要数千至数百万个量子比特，迫切需要弥合这一差距。
例如，在日本目前正在开发的量子计算机系统中，日本产业技术综合研究所已决定在G-QuAT中安装富士通的超导门量子计算机（合同金额：59.95亿日元）和QuEraComputing的中性原子量子计算机（约65亿日元），G-QuAT计划于2025年初在日本产业技术综合研究所开始运行。这些系统的目标是扩展到数百个量子位，但进一步扩展需要技术突破。
该研究成果利用电光转换器将量子比特的状态转换为光信号。我们已经建立了一种使用光纤的传输方法。这导致：
显着减少进入低温环境的热流（大约 10 毫开尔文）
简化量子位控制的接线
实现长距离信号传输
我们已经为解决三个重要问题铺平了道路。
但目前仍处于原型阶段，光信号转换效率和发热等技术问题仍然存在。此外，需要大量额外的量子位来纠正量子位中的错误，而放大也是这方面的一个重要问题。
从：https://phys.org/news/2025-02-physicalists-complete-optical-readout-superconducting.html
【编辑部评论】
量子计算机开发的“安静革命”
2024年至2025年这段时间将是量子计算机研发的重要转折点。谷歌、IBM、英特尔等主要科技公司竞相公布自己的成果，而在日本，由产业技术研究院牵头的全面研发即将开始。
当前问题：为什么规模化很难？
当今量子计算机面临的最大挑战是增加量子位的数量。例如，实际的密码破译需要数千万个量子比特。即使是目前最先进的IBM量子计算机也只有133个量子位。
这个“可扩展性”问题主要存在三个技术障碍：
量子位控制
当前的方案需要每个量子位多个控制线。如果有数百个量子位，低温设备的内部将仅充满电线。需要纠错
量子位非常不稳定，即使是最轻微的干扰也可能导致错误。为了纠正这个问题，每个逻辑量子位都需要数千个物理量子位。低温环境的维护
超导量子位必须在极低的温度下运行，接近绝对零（约 10 毫开尔文）。从控制线流入的热量使得维持这种环境变得困难。
这项技术创新：用光实现突破
ISTA 研究团队开发的光学读出技术有可能为这些挑战提供革命性的解决方案。
特别值得注意的是，该技术实现了“模块化”。当前的量子计算机需要将所有量子位封装到一个低温设备中。但，如果光纤连接成为可能，那么将有可能结合多个小型量子处理器来构建大规模系统。
这为“分布式量子计算”开辟了道路，它通过网络连接地理上分散的量子计算机，类似于今天的云计算。
日本的研究开发现状
在这方面值得注意的是日本 AIST G-QuAT 项目。该系统计划于 2025 年初开始运行，采用结合不同类型量子计算机的混合方法。
通过引进不同特性的量子计算机、富士通的超导门型（约60亿日元）和QuEraComputing的中性原子型（约65亿日元），我们的目标是进行发挥各自优势的研究和开发。
量子网络的可能性
这种光学读出技术不仅有可能为量子计算机的扩展做出贡献，而且有可能有助于实现称为“量子互联网”的新通信基础设施。
量子网络将实现创新应用，例如：
分散量子计算
通过协同工作，多台量子计算机可以解决单独无法解决的复杂问题。例如，它将实现新药开发中的分子模拟和气候变化预测等大规模计算。量子密码通信
利用量子力学原理可以实现完全安全的通信。目前的加密技术未来可能会被量子计算机破译，但量子密码学不必担心这一点。量子传感网络
通过将量子传感器与光纤连接，可以以前所未有的精度进行观测。有望应用于地震预报、气象观测、医疗诊断等领域。
技术挑战和未来展望
但该技术的实际应用仍面临一些挑战：
提高转换效率
目前的原型仍然不具备足够的光信号转换效率。实际实施需要更高效的转换。确保容错性
量子态极其脆弱，即使通过光读出也可能发生错误。有必要开发技术来尽量减少这种情况。系统集成
系统设计需要有效连接和控制不同类型的量子设备。
未来研发方向
研究团队提出了以下应对这些挑战的方法：
新材料开发
新材料研究实现更高效的电光转换系统架构优化
基于模块化的新型量子计算机架构设计改进的纠错算法
光学读出专用纠错方法的开发
【术语解释】
门控量子计算机
原理：将量子门操作依次应用到量子位上
特点：可进行通用计算
主要开发商公司及现状：
IBM：实现 133 个量子位（Eagle），目标是到 2025 年达到 4,000 个量子位
谷歌：用 72 个量子位展示量子霸权 (Bristlecone)
英特尔：利用硅量子点方法实现12个量子位
富士通：目标是使用超导方法实现数百个量子位（G-QuAT项目）
退火量子计算机
原理：利用量子效应寻找最优解
特点：专门研究组合优化问题
主要开发商公司及现状：
D-Wave：实现超过 7,000 个量子位
日立：使用专有 CMOS 技术开发量子退火机
量子位相干时间
量子态可以维持的时间量。目前的超导量子位大约需要 100 微秒。随着计算复杂性的增加，需要更长的相干时间。
量子纠错
根据目前的技术，一个逻辑量子位由大约 1,000 个物理量子位组成。实际计算需要数百个逻辑量子位，这是导致扩展困难的因素之一。
量子超越性
证明量子计算机可以解决传统计算机在现实时间内无法解决的问题。截至 2024 年，仅在有限数量的问题上实现了这一目标。
[参考链接]
- ISTA 量子器件实验室（外部）
芬克教授的小组实验室所在地。发布量子器件最新研究成果和论文信息 - 自然物理学（外部）
发表此项研究的物理领域世界知名学术期刊。发布最新研究成果