DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-026-01581-9
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Jiawei Qiu وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تقدم البحث شبكة كمومية ميكروويف جديدة تقلل بشكل فعال من الضوضاء الحرارية، وهي حاجز كبير في الاتصالات الكمومية عند ترددات الميكروويف. من خلال استخدام خط نقل من النيوديميوم-تيتانيوم maintained عند 4 كلفن ووصله بشكل زائد إلى حمل بارد عند 10 مللي كلفن، يتم تقليل الإشغال الحراري الفعال لقناة الاتصال إلى 0.06 فوتون، مما يحقق انخفاضًا بمقدار مرتين في الضوضاء الحرارية. يتيح هذا الإعداد نقل الحالات الكمومية بدقة 58.5% ودرجة تشابك بيل بدقة 52.3%، وكلاهما يتجاوز حدود الاتصالات الكلاسيكية. تُظهر البنية التحتية توافقها مع البيئات ذات درجات الحرارة الأعلى، مما يمهد الطريق لشبكات كمومية قابلة للتوسع يمكن أن تتكامل مع منصات أشباه الموصلات والفوتونيات.
تعيد النتائج تعريف القيود التشغيلية للأنظمة الكمومية الفائقة التوصيل، مما يسمح بنقل الحالة الكمومية من خلال بنية تحتية تقليدية للتبريد بينما تحافظ على دقة التشابك. يحدد البحث تحسينات محتملة في الدقة من خلال استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك دمج الفلاتر المبردة وكيبلات فائقة التوصيل ذات جودة أعلى، بالإضافة إلى تنفيذ بروتوكولات تصحيح الأخطاء. علاوة على ذلك، يفتح الدراسة آفاقًا لاستكشاف الديناميكا الحرارية الكمومية في البيئات المبردة الهندسية ويقترح أن الشبكات الحرارية الميكروويف المطورة يمكن أن تسهل الروابط البصرية في درجة حرارة الغرفة التي تتفاعل مع المعالجات فائقة التوصيل، مما يعزز من جدوى تقنيات الكم الهجينة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم لتقنية الميكروويف في الاتصالات الحديثة وتحدياتها عند الانتقال إلى المجال الكمومي، بشكل أساسي بسبب الحساسية الحرارية لفوتونات الميكروويف. إن الطاقة المنخفضة لهذه الفوتونات (حوالي 20 ميكرو إلكترون فولت عند 5 جيجاهرتز) تجعل حالات الكم ذات الفوتون الواحد عرضة للضوضاء الحرارية، مما يفرض قيودًا كبيرة على دوائر الكم فائقة التوصيل التي حققت أعدادًا مثيرة للإعجاب من الكيوبتات ودقة البوابات ولكنها تتطلب التشغيل عند درجات حرارة مللي كلفن. يخلق هذا القيد الحراري مشاكل في قابلية التوسع لكل من التكامل الأحادي للكيوبتات وإقامة الشبكات الكمومية الموزعة.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون شبكة كمومية ميكروويف مبردة إشعاعيًا تدير الديناميكية الحرارية داخل قنوات الاتصال. تشمل بنيتهم المبتكرة موصلًا قابلًا للتعديل مع نسبة تشغيل/إيقاف كبيرة، وتقنيات تبريد إشعاعي تقلل من الإشغال الحراري إلى 0.06 فوتون، وإدارة حرارية في مجال الزمن لنقل الحالة الكمومية بكفاءة. تظهر النتائج دقة نقل الحالة الكمومية تبلغ 58.5% ودرجة تشابك بيل تبلغ 52.3%، وكلاهما يتجاوز عتبات الاتصالات الكلاسيكية. لا يعزز هذا العمل فقط من مقاومة الحرارة في الأنظمة الكمومية، بل يسهل أيضًا دمج المعالجات فائقة التوصيل مع منصات أخرى تعمل عند درجات حرارة أعلى، مما يثبت أن التبريد الإشعاعي هو أداة متعددة الاستخدامات لإدارة الحرارة في تقنيات الكم الميكروويف.
النتائج
يصف قسم النتائج الإعداد التجريبي ونتائج شبكة كمومية ميكروويف تتكون من شريحتين فائقتي التوصيل، أليس وبوب، متصلتين بكابل من النيوديميوم-تيتانيوم (NbTi) بطول متر واحد. تعمل الشرائح عند درجة حرارة أساسية تبلغ حوالي 10 مللي كلفن، مع سخان ومقياس حرارة يسمحان بتعديل درجة حرارة الكابل. تحتوي كل شريحة على كيوبتين ترانسمون، مع وجود كيوبت واحد (يشار إليه بـ \( Q_n \) لـ \( n = A, B \)) متصل بشكل نشط بالكابل من خلال موصل قابل للتعديل gmon. يستخدم النظام فلتر بورسيل لتعزيز معدل الانحلال لمذبذبات القراءة مع الحفاظ على تماسك الكيوبت. تظهر النتائج التجريبية القدرة على التحكم في عمر الفوتون لوضع معين، \( R_c \)، من خلال الموصل D، محققًا أقصى عمر فوتون يبلغ 820 نانوثانية وأدنى عمر يبلغ 9.6 نانوثانية، مما يشير إلى نسبة تشغيل/إيقاف كبيرة لقناة التبدد.
تستكشف الدراسة أيضًا آثار الضوضاء الحرارية على إثارة الكيوبت وكفاءة التبريد الإشعاعي. من خلال ضبط الموصل D، يتم تقليل الإشغال الحراري للفوتونات في القناة، مما يسمح بإعادة تعيين فعالة للكيوبت ونقل الحالة. يتم إثبات نقل فوتون واحد من \( Q_A \) إلى \( Q_B \) بنجاح، محققًا دقة عملية تبلغ \( F_\chi = 58.5 \pm 0.5\% \)، والتي تتحسن إلى \( 67.2 \pm 0.7\% \) بعد تصحيح أخطاء إعداد الحالة والقياس. بالإضافة إلى ذلك، يتم الإبلاغ عن توليد حالة بيل \( |\psi_B\rangle = (|01\rangle + |10\rangle)/\sqrt{2} \) بين الكيوبتين، مع قياسات الدقة تشير إلى دقة خام تبلغ \( F_\rho = 52.3 \pm 0.5\% \) ودقة مصححة تبلغ \( 69.6 \pm 0.7\% \). تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات شبكة الكم الميكروويف لنقل الحالة الكمومية بكفاءة وتوليد التشابك، مع أداء الدقة المتغير مع درجة الحرارة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية تصميم وأداء شرائح الكم فائقة التوصيل المستخدمة في الاتصالات الكمومية، مع التركيز بشكل خاص على الموصل D وآليات قراءة الكيوبت. يعمل الموصل D، الذي يعد جزءًا أساسيًا لإدارة فوتونات الميكروويف الحرارية، كفلتر تمرير نطاق قابل للتعديل، مما يسمح بالتبدد السريع والفعال. يتم تفصيل المعلمات الرئيسية مثل السعة التسلسلية للموصل ($C_D$)، السعة الطفيلية ($C_p$)، والمحاثة ($L_{D,0}$)، حيث يحقق الموصل D معدل تبدد أدنى يبلغ $\kappa_{min}^D = 1.7 \, \text{ms}^{-1}$، وهو أقل بكثير من معدلات التبدد الجوهرية للأوضاع. وهذا يمكّن من فك ارتباط قناة الاتصال عن الحمل البارد، مما يعزز الأداء العام للنظام الكمومي.
علاوة على ذلك، يتم تحسين عملية قراءة الكيوبت باستخدام مزيج من فلتر بورسيل ومضخم بارامتري متطابق مع مقاومة محدودة كمومي (IMPA)، محققًا قراءة تفريغ سريعة في لقطة واحدة خلال 190 نانوثانية مع الحفاظ على خطأ فصل أقل من 1%. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أهمية إدارة الحرارة، موضحة أن مذبذبات القراءة يمكن أن تعمل كطريقة بديلة لإعادة تعيين الكيوبت، محققة تجمعات إثارة متبقية أقل بكثير من تلك التي بدون إعادة تعيين. تشير النتائج إلى أن الموصل D لا يسهل فقط التبريد وإعادة تعيين الكيوبتات بكفاءة، بل يسمح أيضًا بتفاعلات متماسكة بين الكيوبتات وفوتونات حرارية، مما يمهد الطريق لنقل الحالة الكمومية بشكل قوي في شبكة كمومية ميكروويف مقاومة للضوضاء الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-026-01581-9
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Jiawei Qiu et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
The research presents a novel microwave quantum network that effectively mitigates thermal noise, a significant barrier in quantum communication at microwave frequencies. By utilizing a niobium-titanium transmission line maintained at 4 K and overcoupling it to a cold load at 10 mK, the effective thermal occupancy of the communication channel is reduced to 0.06 photons, achieving a two-order-of-magnitude decrease in thermal noise. This setup enables the transfer of quantum states with a fidelity of 58.5% and a Bell entanglement fidelity of 52.3%, both surpassing classical communication limits. The architecture demonstrates compatibility with higher-temperature environments, paving the way for scalable quantum networks that can integrate with semiconductor and photonic platforms.
The findings redefine operational constraints for superconducting quantum systems, allowing for quantum state transfer through conventional cryogenic infrastructure while maintaining entanglement fidelity. The research outlines potential improvements in fidelity through various strategies, including the integration of cryogenic filters and higher quality superconducting cables, as well as the implementation of error-corrected protocols. Furthermore, the study opens avenues for exploring quantum thermodynamics in engineered cryogenic environments and suggests that the developed thermal microwave networks could facilitate room-temperature optical links interfacing with superconducting processors, thereby enhancing the practicality of hybrid quantum technologies.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of microwave technology in modern telecommunications and its challenges when transitioning to the quantum domain, primarily due to the thermal sensitivity of microwave photons. The low energy of these photons (approximately 20 µeV at 5 GHz) makes single-photon quantum states susceptible to thermal noise, which poses significant limitations for superconducting quantum circuits that have achieved impressive qubit counts and gate fidelities but require operation at millikelvin temperatures. This temperature constraint creates scalability issues for both monolithic integration of qubits and the establishment of distributed quantum networks.
To address these challenges, the authors propose a radiatively cooled microwave quantum network that dynamically manages thermalization within the communication channels. Their innovative architecture includes a tunable coupler with a significant on/off ratio, radiative cooling techniques that reduce thermal occupancy to 0.06 photons, and time-domain thermal management for efficient quantum state transfer. The results demonstrate a quantum state transfer fidelity of 58.5% and a Bell-state entanglement fidelity of 52.3%, both exceeding classical communication thresholds. This work not only enhances thermal resilience in quantum systems but also facilitates the integration of superconducting processors with other platforms operating at higher temperatures, establishing radiative cooling as a versatile tool for thermal management in microwave quantum technologies.
Results
The results section describes the experimental setup and findings of a microwave quantum network comprising two superconducting chips, Alice and Bob, connected by a 1-meter-long niobium-titanium (NbTi) cable. The chips operate at a base temperature of approximately 10 mK, with a heater and thermometer allowing for temperature modulation of the cable. Each chip contains two transmon qubits, with one qubit (denoted as \( Q_n \) for \( n = A, B \)) actively coupled to the cable through a gmon tunable coupler. The system employs a Purcell filter to enhance the decay rate of the readout resonators while maintaining qubit coherence. The experimental results demonstrate the ability to manipulate the photon lifetime of a specific mode, \( R_c \), through the D coupler, achieving a maximum photon lifetime of 820 ns and a minimum of 9.6 ns, indicating a significant on/off ratio for the channel’s dissipation.
The study further explores the effects of thermal noise on qubit excitation and the efficiency of radiative cooling. By tuning the D coupler, the thermal photon occupancy in the channel is reduced, allowing for effective qubit reset and state transfer. The transfer of a single photon from \( Q_A \) to \( Q_B \) is successfully demonstrated, achieving a process fidelity of \( F_\chi = 58.5 \pm 0.5\% \), which improves to \( 67.2 \pm 0.7\% \) after correcting for state preparation and measurement errors. Additionally, the generation of a Bell state \( |\psi_B\rangle = (|01\rangle + |10\rangle)/\sqrt{2} \) between the qubits is reported, with fidelity measurements indicating a raw fidelity of \( F_\rho = 52.3 \pm 0.5\% \) and a corrected fidelity of \( 69.6 \pm 0.7\% \). These findings highlight the potential of the microwave quantum network for efficient quantum state transfer and entanglement generation, with fidelity performance varying with temperature.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the design and performance of superconducting quantum chips utilized for quantum communication, specifically focusing on the D coupler and qubit readout mechanisms. The D coupler, which is integral for managing thermal microwave photons, operates as a tunable bandpass filter, allowing for fast and efficient dissipation. Key parameters such as the coupler’s series capacitance ($C_D$), parasitic capacitance ($C_p$), and inductance ($L_{D,0}$) are detailed, with the D coupler achieving a minimum dissipation rate of $\kappa_{min}^D = 1.7 \, \text{ms}^{-1}$, significantly lower than the intrinsic dissipation rates of the modes. This enables effective decoupling of the communication channel from the cold load, enhancing the overall performance of the quantum system.
Furthermore, the qubit readout process is optimized using a combination of a Purcell filter and a quantum-limited impedance-matched parametric amplifier (IMPA), achieving rapid single-shot dispersive readout within 190 ns while maintaining a separation error below 1%. The study also highlights the importance of thermal management, demonstrating that the readout resonators can serve as an alternative method for qubit reset, achieving residual excitation populations significantly lower than those without reset. The results indicate that the D coupler not only facilitates efficient cooling and resetting of qubits but also allows for coherent interactions between qubits and thermal photons, thus paving the way for robust quantum state transfer in a thermal-noise-resilient microwave quantum network.