一项最新研究表明，零偏置电光光纤链路或将成为超导量子比特操控的新利器。

为了在包含数百万个量子比特的大规模量子电路上执行量子信息处理任务，将控制和测量线路上的热效应降至最低至关重要，这能确保电路组件保持超导态，且量子比特不会受到显著的热激发。

3月17日，南京大学、紫金山实验室、合肥国家实验室组成的研究团队在《Nature Communications》期刊上发表题为“Manipulations of a transmon qubit with a null-biased electro-optic fiber link”（利用零偏置电光光纤链路操控transmon量子比特）的研究论文，Wenqu Xu、Tingting Guo为论文共同第一作者，朱广浩、孙国柱为论文通讯作者，吴培亨院士亦参与此项工作。

近期研究表明，正交偏置的电光光纤链路可以在大幅降低热负载的情况下操控量子比特，从而便于大量量子比特的同时操作。在此基础上，研究提出并证明，通过将电光调制器的偏置点设置在零点而非正交点，也能够实现对超导量子比特的相干操控。该零点偏置方法具有诸多主要优势，包括进一步降低热负载、提高信噪比，以及降低实验实施的要求。研究首次利用其提出的零偏置光纤链路，实现了对两个量子比特的同时控制。

研究背景 

近年来，超导量子电路领域发展迅猛，在提升量子处理器复杂度以满足大规模量子计算和模拟任务方面取得了显著进展。科研人员借助先进的芯片设计与制造技术，成功开发出transmon、Xmon等多种新型超导量子比特。这些量子比特具备出色的性能，例如相干性增强、可控性灵活以及耦合稳定等，为实现大规模量子计算奠定了坚实基础。

然而，要实现通用量子计算，需要在稳定的毫开尔文温度下同时操控数百万个量子比特。这对稀释制冷机的热管理提出了极高要求，因为在这种低温环境下，必须确保电路组件保持超导态，同时尽量减少量子比特的热激发。

在此背景下，模拟光纤链路技术崭露头角。这种技术利用现成的光纤通信设备，通过将微波信号上转换为光信号，经光纤传输至毫开尔文级的低温环境，再由光电二极管转换回微波信号来驱动量子比特芯片。与传统微波同轴电缆链路相比，光纤的热导率近乎为零，且具有较大的固有带宽，这使得在大幅降低热负载的情况下，直接向低温级传输数百万个信号成为可能，为大规模超导量子电路的实现带来了希望。

此前，已有研究利用正交偏置电光调制器（EOM）实现了对量子比特的控制和测量，但本文提出的零偏置电光光纤链路技术，为超导量子比特的操控开辟了新的方向。

理论方法

电光调制器的工作原理

传统的正交偏置EOM用于微波信号的线性调制，在连续波调制和小信号近似下，其输出光功率为：

其中P1是入射光功率，Vπ是EOM的半波电压，Vm是施加的微波信号，m1=πVm/Vπ是调制深度。

而零偏置EOM在小信号近似下，输出光功率为:

这里P2是EOM的入射光功率，m2=πVm/2Vπ是调制深度。

从这两个表达式可以看出，零偏置的独特之处在于，无论驱动电压Vm大小如何，它都能实现全深度调制，即射频调制幅度等于直流分量幅度。在产生相同射频信号时，零偏置产生的直流分量更少，从而带来更低的有源热和散粒噪声。并且，在固定射频信号强度时，通过增加P2可以降低m2，使零偏置能在小信号区域运行，减少带内非线性，同时保持全深度调制，这是正交偏置无法做到的。

实验装置复杂度分析

实现激光强度线性脉冲调制的正交偏置EOM有两种典型物理实现方式，即Quad-1和Quad-2。Quad-1采用单个正交偏置EOM，其输出光功率包含高斯形信号分量和恒定直流分量。为抑制控制脉冲窗口外的光功率，需要额外的方波脉冲来动态改变偏置条件，这增加了波形发生器的负担。

Quad-2则需要两个EOM，第一个进行线性连续波调制，第二个用于包络调制和能量清洗。其输出光功率的信号和直流分量都采用不同幅度的高斯分布。

相比之下，零偏置方案仅需一个零偏置EOM，由高斯形脉冲驱动，输出光功率的信号和直流分量具有相同幅度的高斯分布。而且，零偏置调制关闭时，直流分量为零，无需额外的方波脉冲或第二个EOM来抑制控制脉冲窗口外的光功率。此外，零偏置方法中EOM调制信号的载波频率仅为量子比特频率的一半，对射频仪器的速度要求更低，有助于降低系统构建成本。

可寻址量子比特数量和信噪比分析

通过比较三种方案（Quad-1、Quad-2和零偏置光纤链路）的直流分量（即平均光电流），可以计算出它们的有源热负载，进而得到可寻址量子比特的最大数量。在相同冷却功率下，当占空比小于1%时，光纤链路相较于同轴电缆具有显著优势。

在调制深度小于1时，零偏置光纤链路可寻址的量子比特数量明显多于正交偏置的情况。在信噪比方面，光纤链路中量子比特主要面临的噪声是光电流的散粒噪声。对于正交偏置的Quad-1和Quad-2，由于光电流的直流分量与EOM驱动信号无关，信号减小时散粒噪声不变。而零偏置情况下，光电流的直流分量与EOM驱动信号的平方成正比，信号减小时散粒噪声降低。经计算，在调制深度小于1时，零偏置方案的信噪比明显优于正交偏置的情况。

实验方案

（一）实验装置搭建

实验的关键组件是马赫-曾德尔强度调制器（EOM）。在室温下，任意波形发生器（AWG）的两个输出通道作为IQ混频器的输入，生成矢量信号驱动EOM。调制后的光信号通过光纤传输至低温环境，在稀释制冷机的混合腔板上，由光电二极管将光信号转换回微波信号。该微波信号与另一个用于量子比特读取的微波信号通过定向耦合器合并，传输至样品的输入端口。实验中使用的其他设备包括Tektronix 5014C任意波形发生器、R&S SGS100A矢量微波源、DG645脉冲延迟发生器、AlazarTech ATS9870数字采集卡等。在同时驱动两个量子比特的实验中，利用Zurich Instruments的集成系统SHFQC，将两个SG通道合并为一个信号来驱动EOM。

图1：零偏置光纤控制量子比特状态的实验装置示意图。

（二）量子比特的制备与测试

制备一个transmon量子比特，将其通过电容耦合到共面谐振器，共面谐振器再与传输线相连。传输线的输入端连接微波耦合器，用于控制量子比特状态和探测谐振器进行读取；输出端通过微波同轴电缆连接到室温电子设备，用于信号采集和解调。通过改变微波信号的频率、幅度和相位等参数，对量子比特进行各种操作和测量。

（三）实验测量内容

频域表征：通过双音光谱测量，比较零偏置光纤链路和同轴电缆链路驱动量子比特时的表现。测量不同驱动功率下光谱峰的半高宽（FWHM），并进行洛伦兹拟合，以评估两种驱动方式下与量子比特相互作用的场的一致性。

时域表征：测量量子比特的拉比振荡，通过改变脉冲幅度提取拉比频率。同时，测量零偏置光纤链路和同轴电缆链路驱动下量子比特的T1、T2和T2E等退相干参数，以评估零偏置光纤链路对量子比特退相干性能的影响。

矢量控制和并行性验证：利用单边带混频技术，通过改变脉冲相位和持续时间，获取二维拉比振荡数据，验证零偏置光纤链路对量子比特布洛赫矢量的完整操控能力。同时，通过同时驱动两个量子比特，展示零偏置光纤链路的并行控制能力。

研究成果

频域和时域性能验证

频域表征结果显示，当驱动功率足够高时，零偏置光纤链路和同轴电缆链路驱动量子比特的结果表现出相似的行为，如量子比特跃迁和光子数分裂。在特定驱动功率范围内，两者的0-1跃迁信号的线宽近乎相同，这表明零偏置光纤链路不会引入额外的高能级激发或额外的退相干效应。

图2：双音频谱与驱动功率的关系。

图3：量子比特的拉比振荡条纹图案。

图4：拉比振荡。

时域表征方面，零偏置光纤链路驱动量子比特得到的拉比振荡频率与AWG调制幅度呈二次方关系，最高拉比频率超过100MHz，满足快速量子门操作的要求。与同轴电缆链路相比，这种二次方关系可能实现更好的输出脉冲信号开关比。而且，测量得到的零偏置光纤链路和同轴电缆链路驱动下量子比特的T1、T2和T2E等退相干参数相似，说明在所用量子比特的相干性灵敏度范围内，零偏置光纤链路不会影响量子比特的退相干性能。

图5：T1、T2和T2E的统计分析。

图6：T1、T2和T2E与f01的关系。

矢量控制和并行性验证

实验成功验证了零偏置光纤链路对量子比特布洛赫矢量的完整操控能力。通过改变脉冲相位和持续时间获得的二维拉比振荡数据表明，由于零偏置EOM的倍频效应，AWG驱动信号的2π相位变化会使量子比特的旋转轴在布洛赫矢量空间中旋转两个周期。

利用零偏置光纤链路同时控制两个量子比特的实验也取得成功，展示了其并行控制能力。尽管在同时驱动两个量子比特时，由于存在额外耦合，量子比特的相干振荡中心出现了轻微偏移，但使用同轴电缆链路进行相同实验时也有类似现象，说明不是光纤链路引入的波形失真导致的。

图7：量子态层析和门保真度。

图8：通过零偏置光纤链路同时矢量控制两个量子比特。

零偏置光纤链路的优势体现

与正交偏置光纤链路相比，零偏置光纤链路具有诸多优势。在实验装置复杂度上，零偏置方案无需额外的方波脉冲或第二个EOM来抑制控制脉冲窗口外的光功率，且对射频仪器的速度要求更低。在可寻址量子比特最大数量方面，当调制深度小于1时，零偏置光纤链路可寻址的量子比特数量明显多于正交偏置情况。在信噪比方面，调制深度小于1时，零偏置方案的信噪比显著优于正交偏置方案。

综上所述，本文提出的零偏置电光光纤链路为超导量子比特的操控提供了一种高效、可靠的新方法，具有降低热负载、提高信噪比和简化实验装置等优势，有望成为实现大规模超导量子处理器的有力工具。

图9：不同光纤链路示意图。

图10：相同冷却功率下可同时寻址的最大量子比特数。