7月7日， 耶鲁大学、美国空军研究实验室组成的研究团队在《prx quantum》期刊上发表题为"superfluid-cooled transmon qubits under optical excitation"（超流氦冷却的光学激发transmon量子比特）的研究论文。
该研究通过将超导量子比特浸入超流氦-4（4he）中，显著提升了其在光学激发下的热耗散能力，实现了超过10 db的功率处理能力改进，为微波-光量子态转换器件的实用化铺平了道路。
研究背景
超导量子处理器的大规模网络扩展依赖于高效的微波-光学量子转导技术，以实现远程量子处理器之间的光学纤维连接。然而，高转换效率需要强光学泵浦，而直接光学照射会损害超导电路的性能。因此，超导量子比特的高效快速热化成为关键挑战。
目前，减少光学对量子比特影响的方法包括将转导器和量子比特分置于不同芯片并使用射频隔离器，但这会引入插入损耗和热负载；另一种方法是将两者集成在同一芯片上，但光学光子会直接照射量子比特，导致准粒子生成、对破裂声子产生以及局部加热等问题。超流氦-4因其极高的热导率和比热容，成为理想的冷却剂选择。该研究通过实验验证了超流氦在提升量子比特性能和热管理方面的卓越表现。
理论方法
超导量子比特在光学激发下的性能退化主要源于三种机制：准粒子生成、对破裂声子产生和局部加热。当激光照射超导材料时，光子能量可能直接打破库珀对，产生准粒子，这些准粒子会显著降低量子比特的相干时间。此外，准粒子复合时释放的高能声子（对破裂声子）可能进一步破坏其他库珀对，形成恶性循环。同时，低能声子在超导体中积累，导致局部温度升高，进一步影响量子比特的稳定性。
超流氦-4凭借其独特的物理性质成为解决这些问题的理想冷却介质。首先，它的零粘度特性使其能够渗透到微观结构中，与超导材料充分接触，确保高效的热传递。其次，超流氦具有极高的热导率，能够迅速将热量从量子比特芯片导出，避免局部过热。此外，它的高比热容使其能够吸收大量热量而不显著升温，从而维持系统的低温环境。
实验通过单音光谱和拉比振荡两种测量方法来评估超流氦的冷却效果。单音光谱用于监测激光脉冲后谐振腔频率的动态变化，反映系统的热化速率；拉比振荡则直接评估量子比特控制性能的恢复情况。通过对比真空和超流氦环境下的测量数据，可以量化超流氦在提升量子比特性能方面的实际效果。这些方法不仅验证了超流氦的冷却能力，还为未来优化量子转导器件提供了重要参考。
实验方案
研究团队设计了一套精密的实验系统来验证超流氦对超导量子比特的冷却效果。实验的核心是一个特制的铜制密封池，内部安装着量子比特芯片如图1(a)所示，并通过毛细管导入超流氦-4，如图1(b)所示。这个密封池被固定在稀释制冷机的混合室上，确保工作温度维持在50mk的超低温环境。
图1：量子比特芯片布局(a)、实验装置示意图(b)、真空中的拉比振荡测量结果(c)超流氦密封技术装置(d)
实验使用的量子比特芯片采用硅衬底，上面集成了四个transmon量子比特，包括两个单结量子比特和两个磁通可调量子比特。其中约瑟夫森结采用al/aloₓ/al结构，而电容器和读出腔则由铌材料制成。为了模拟实际量子转导器的工作状态，研究人员特别设计了一个光学照射系统，通过1550nm的激光脉冲直接照射量子比特芯片。
测量系统分为光学和微波两个部分。光学部分使用声光调制器来产生精确控制的激光脉冲，脉冲宽度可调范围从100ns到5μs。微波部分则采用高性能的信号发生器和放大器，通过精心设计的传输线将微波信号送入密封池内。输出信号经过放大后，由高速数据采集系统记录和分析。
图2：单音光谱测量的脉冲配置(a)及真空(b)，超流氦(c)环境下的测试结果
实验主要进行了两类关键测量：单音光谱和拉比振荡。
1.在单音光谱测量中，研究人员固定激光脉冲宽度为5μs，重复周期为2ms，通过改变激光功率和测量延迟时间来观察谐振腔频率的动态变化，如图2所示。
2.拉比振荡测量则采用更短的100ns激光脉冲，重点考察量子比特控制性能的恢复情况，如图1(c)，所示。所有测量数据都经过严格的统计处理，确保结果的可靠性。
图3：拉比振荡测量的脉冲配置(a)及真空(b)，超流氦(c)环境下的对比结果
本研究通过两种关键测量方法系统评估了超流氦的冷却效果。单音光谱测量（图2）揭示了超流氦环境下的显著热管理优势：在-20dbm激光功率下，超流氦中的信号基线偏移仅3.5db，较真空环境的11.8db改善达8.3db。图2(c)显示其恢复时间常数（72-117μs）虽略长于真空（55-96μs），但完全热化仅需2ms周期，而真空环境则无法完全恢复。这种差异源于超流氦更高效的声子输运特性。
图4：对比了真空(红)与超流氦(蓝)中量子比特π脉冲点的激发态布居数(pₑ)随时间演化。
拉比振荡测量（图3）进一步验证了量子比特操控性能的提升。图3(c)显示在超流氦中，即使激光重复周期缩短至1ms（真空为2ms），激发态布居数(pₑ)仍保持稳定。图4的量化对比更具说服力：在等效-19dbm功率下，超流氦中的pₑ衰减时间常数（28μs）优于真空-40dbm时的35μs，且数据波动更小（置信区间缩小6倍）。特别值得注意的是图3(e)展示的功率耐受性突破——超流氦使系统可承受的激光功率提升超过10db，从真空的-40dbm阈值跃升至-30dbm以上。这些实验结果共同证明，超流氦通过双重机制（快速热耗散和准粒子抑制）实现了量子比特性能的全面提升。
研究成果与意义
本研究通过超流氦冷却技术，成功突破了量子比特在光学激发下的性能瓶颈——从10倍速的恢复能力提升，到10db量级的功率耐受增强，每项数据都刷新了量子器件的性能上限。这项突破为微波-光学量子转导提供了关键技术支持，将加速量子网络与量子计算的实用化进程。
未来，随着超流氦封装技术的完善和新型超导材料的引入，这项冷却方案有望成为大规模量子处理器的“标准配置”，推动量子科技从实验室走向产业化。这场始于超流体与量子比特的“冷相遇”，或将开启量子计算稳定运行的新纪元——而我们，正在见证这一转折点的到来。
