米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部中村英二研究组、东京理科大学研究生吉冈照明（研究时）、蔡朝深教授等人开发了利用光子吸收的量子电路冷却的高速评估技术。
超导体和普通导体绑定的设备可以通过光子吸收对置于低温环境中的电路进行电冷却。近年来，利用这种光子吸收超导量子位已经开发出来，预计它将有助于改善超导量子计算机中存在的错误问题。然而，到目前为止，还无法准确测量光子吸收后电路中剩余的光子数量。
这次，通过测量光子吸收后超导量子位的激发频率的变化，我们能够高速、精确地检测到冷却后立即残留在电路中的微量能量（小于单个光子）。结果，我们确认了即使在光子数为1或更少的量子区域中的电路中，该量子电路冷却技术也是有效的。这项研究将有助于准确评估利用光子吸收的量子电路冷却技术的冷却能力，并开发最佳的量子电路冷却元件。此外，未来我们将利用这种量子电路冷却技术来实现更高的速度和更高的性能。保真度量子位初始化技术和量子位状态泄漏。
该技术的详细信息将于 2025 年 1 月 10 日（美国中部时间）发布。已应用物理审查发布
在使用微加工技术制造的微米级电路中，量子力学现象在极低的温度下出现。量子技术的发展正在引起全世界的关注，因为该技术的使用可以实现传统技术无法实现的计算能力和测量灵敏度。近年来，在此类量子电路中，已经证明结合超导体和普通导体的元件（超导体/普通导体结）具有吸收光子的能力，并且对该装置的研究正在取得进展，该装置被称为量子电路冷却器（QCR）。例如，这个 QCR 用于限制光子谐振器连接到超导量子位时，它可以从量子位获取能量并快速初始化量子位。目前正在开发量子纠错需要对量子位进行重复初始化，因此需要实现高速、高保真的量子位初始化技术。虽然量子电路冷却是实现量子位如此快速初始化的一种很有前途的方法，但到目前为止，还无法确定 QCR 从谐振器吸收能量（光子）后立即在谐振器中剩余多少能量（光子）。这是因为量子电路冷却研究中使用的能量测量不可避免地受到测量电路中放大器噪声的影响，该噪声比光子吸收量大数十倍。谐振器中残留的能量会导致量子位发生故障，因此需要一种技术来在冷却后高速、高灵敏度地测量谐振器中残留的能量。
AIST 和东京理科大学开发了一种技术，可使用超导/常导结快速、高保真地初始化超导量子位，而不会降低其性能。2023 年 10 月 31 日 AIST 新闻稿）。
这次，我们重点关注超导/常导结从谐振器吸收光子时超导量子位的激发频率发生变化的现象，并通过对光子吸收后的量子位进行光谱测量来测量谐振器中剩余的光子数量。
此项研究和开发得到了 JSPS 科学研究补助金 20KK0335 和 20H02561 的支持。
在这项研究中，我们创建并试验了一种结合了“超导谐振器”、“超导/常导结”和“超导量子位”的设备（图 1）。 AIST 和东京理科大学共同开发了该装置，并在 AIST 设施中联合进行了实验。
图 1 器件的光学显微照片
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
众所周知，当超导量子位放置在微波产生的电磁场环境中时，谐振频率会与该电磁场环境的能量（光子数）成比例地变化。在这项研究中，我们将该超导量子位放置在由 QCR 冷却的超导谐振器中，并评估了谐振器中包含的能量。
在实验中，我们首先使用外部微波将光子注入超导谐振器，注入的光子被充当 QCR 的超导/常导结吸收。此外，在光子被结吸收后，我们立即测量了静电耦合到谐振器的量子位的谐振频率变化，以评估冷却后立即的光子数量（图 2）。在实验中，我们改变了 QCR 冷却时间并测量了谐振器中的光子数量如何随时间变化。结果发现，通过微波引入超导谐振器的大约3个光子可以在大约50纳秒（1纳秒是十亿分之一秒）内减少到小于007个光子。这表明超导腔中的光子减少速度比没有 QCR 时快约 15 倍。
图 2 通过 QCR 冷却腔中的光子并通过量子位进行测量
（左）：量子位冷却前（橙色）和冷却后（绿色）量子电路的共振谱
（右）：由于量子电路冷却而导致谐振器中光子数变化的冷却时间依赖性
*原始论文中的数字被引用或修改。
这项研究还表明，量子电路冷却可以减少谐振器中热激发的少量光子（少于一个）。在本实验中，元件被冷却稀释冰箱的设定温度，我们将少于一个光子热引入腔中。此外，空腔中热激发的光子被超导/常导结吸收约100纳秒，并使用超导量子位测量光子数量。结果，我们首次证明，与冷却前相比，即使光子数量少于一个，也可以在 100 纳秒的短时间内减少光子数量（图 3）。这项研究意味着高速量子电路冷却对于光子数小于1的量子区域中的超导谐振器是有效的。我们还演示了使用量子电路冷却技术来“保护”量子电路的可能性，量子电路由于热的影响而失去了量子特性。
图 3 超导腔中热激发光子的量子电路冷却
彩色方块是实验结果，实线是数值计算结果。纵轴显示超导量子位的频移以及从中估计的光子数量的变化。
*原始论文中的数字被引用或修改。
未来，我们将使用这种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位的设备。此外，我们将展示量子电路冷却的有效性，不仅适用于超导量子位和谐振器，而且适用于由磁性材料等制成的量子电路，并推进通过抑制热和外部环境的影响而导致量子技术社会化的研究。
已出版的杂志：已应用物理审核
论文标题：探索量子态中的快速量子电路制冷
作者：Shuji Nakamura、Teruaki Yoshioka、Sergei Lemziakov、Dmitrii Lvov、Hiroto Mukai、Akiyoshi Tomonaga、Shintaro Takada、Yuma Okazaki、Nobu-Hisa Kaneko、Jukka Pekola 和 Jaw-Shen Tsai
DOI：101103/PhysRevApplied23L011003