上圖為一種安裝在微波測試封裝中的超導超材料晶元。中心紫色額的反射是肉眼可見的光學效應，是微波超材料的周期性圖案化使光擴散的結果。圖片來源：Oskar Painter /加州理工學院。

傳統的計算機將信息存儲在一個比特中，這是一個邏輯單元，它可以取0或1的值。量子計算機依賴於量子比特，也被稱為「量子比特」，這是它們的基本構建塊。傳統計算機中的比特編碼單個值，即0或1。相比之下，量子位的狀態可以同時具有0和1的值。這種特殊的性質，是量子物理基本定律的結果，導致了量子系統的戲劇性的複雜性。

量子計算是一個新興的、快速發展的領域，它可以利用這種複雜性來解決傳統計算機難以處理的問題。然而，量子計算的一個關鍵挑戰是，它需要使大量的量子位一起工作，這很難實現，同時避免與外部環境的相互作用，這將剝奪量子位的量子特性。

來自Oskar Painter實驗室的新研究，探索了超導超材料的應用以克服這一挑戰，他是工程與應用科學系應用物理與物理學教授。

超材料是通過以比光波長更小的比例組合多種組分材料而特別設計的，從而賦予它們操縱光粒子或光子的行為的能力。超材料可用於反射、轉動或聚焦光束幾乎以任何期望的方式實現。超材料也可以產生光子傳播被完全禁止的頻帶，即所謂的「光子帶隙」。

加州理工學院的研究小組利用光子帶隙在超導量子電路中捕獲微波光子，為未來量子計算機的建設創造了一項有前途的技術。

「原則上，這是一種可伸縮和靈活的襯底，可以在其上構建複雜的電路來互連某些類型的量子位，」Painter說，他是進行這項研究的團隊的領導人，該研究發表在實現近日的《自然通訊Nature Communications》雜誌上。「不僅可以設置量子比特之間的連通性的空間排列，而且還可以設計連接只發生在特定的期望頻率。」

畫家和他的團隊創造了一個量子電路組成的一個超導體材料，可以發射電流幾乎沒有能量損失，或者集成到硅晶元這上。這些超導圖案將微波從微晶元的一部分傳送到另一部分。這才使得系統能夠在量子領域實現操作，然而還利用到了所謂的約瑟夫森結，包括夾在兩個超導電極之間原子薄導電層。約瑟夫森結產生微波光子源與兩個不同的和孤立的狀態，比如一個原子的基態和激發態，這種所涉及的光發射，在量子計算的語言中，就是一個量子比特。

Painter說：「超導量子電路允許人們使用微波電路進行基本的量子電動力學實驗，微波電路看起來像是直接從手機上拉出來的是一樣。我們相信，用超導超材料來增強這些電路可能使未來的量子計算技術成為可能，並進一步研究更複雜的量子系統，這些系統超出了我們使用甚至最強大的經典計算機模擬來建模的能力。」

來源：https://phys.org/news/2018-09-superconducting-metamaterial-quantum.html

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