7月7日， 耶魯大學、美國空軍研究實驗室組成的研究團隊在《prx quantum》期刊上發表題為"superfluid-cooled transmon qubits under optical excitation"（超流氦冷卻的光學激發transmon量子比特）的研究論文。
該研究通過將超導量子比特浸入超流氦-4（4he）中，顯著提升了其在光學激發下的熱耗散能力，實現了超過10 db的功率處理能力改進，為微波-光量子態轉換器件的實用化鋪平了道路。
研究背景
超導量子處理器的大規模網絡擴展依賴於高效的微波-光學量子轉導技術，以實現遠程量子處理器之間的光學纖維連接。然而，高轉換效率需要強光學泵浦，而直接光學照射會損害超導電路的性能。因此，超導量子比特的高效快速熱化成為關鍵挑戰。
目前，減少光學對量子比特影響的方法包括將轉導器和量子比特分置於不同芯片並使用射頻隔離器，但這會引入插入損耗和熱負載；另一種方法是將兩者集成在同一芯片上，但光學光子會直接照射量子比特，導致准粒子生成、對破裂聲子產生以及局部加熱等問題。超流氦-4因其極高的熱導率和比熱容，成為理想的冷卻劑選擇。該研究通過實驗驗證了超流氦在提升量子比特性能和熱管理方面的卓越表現。
理論方法
超導量子比特在光學激發下的性能退化主要源於三種機制：准粒子生成、對破裂聲子產生和局部加熱。當激光照射超導材料時，光子能量可能直接打破庫珀對，產生准粒子，這些准粒子會顯著降低量子比特的相干時間。此外，准粒子複合時釋放的高能聲子（對破裂聲子）可能進一步破壞其他庫珀對，形成惡性循環。同時，低能聲子在超導體中積累，導致局部溫度升高，進一步影響量子比特的穩定性。
超流氦-4憑藉其獨特的物理性質成為解決這些問題的理想冷卻介質。首先，它的零粘度特性使其能夠滲透到微觀結構中，與超導材料充分接觸，確保高效的熱傳遞。其次，超流氦具有極高的熱導率，能夠迅速將熱量從量子比特芯片導出，避免局部過熱。此外，它的高比熱容使其能夠吸收大量熱量而不顯著升溫，從而維持系統的低溫環境。
實驗通過單音光譜和拉比振蕩兩種測量方法來評估超流氦的冷卻效果。單音光譜用於監測激光脈衝後諧振腔頻率的動態變化，反映系統的熱化速率；拉比振蕩則直接評估量子比特控制性能的恢復情況。通過對比真空和超流氦環境下的測量數據，可以量化超流氦在提升量子比特性能方面的實際效果。這些方法不僅驗證了超流氦的冷卻能力，還為未來優化量子轉導器件提供了重要參考。
實驗方案
研究團隊設計了一套精密的實驗系統來驗證超流氦對超導量子比特的冷卻效果。實驗的核心是一個特製的銅製密封池，內部安裝着量子比特芯片如圖1(a)所示，並通過毛細管導入超流氦-4，如圖1(b)所示。這個密封池被固定在稀釋制冷機的混合室上，確保工作溫度維持在50mk的超低溫環境。
圖1：量子比特芯片布局(a)、實驗裝置示意圖(b)、真空中的拉比振蕩測量結果(c)超流氦密封技術裝置(d)
實驗使用的量子比特芯片採用硅襯底，上面集成了四個transmon量子比特，包括兩個單結量子比特和兩個磁通可調量子比特。其中約瑟夫森結採用al/aloₓ/al結構，而電容器和讀出腔則由鈮材料製成。為了模擬實際量子轉導器的工作狀態，研究人員特別設計了一個光學照射系統，通過1550nm的激光脈衝直接照射量子比特芯片。
測量系統分為光學和微波兩個部分。光學部分使用聲光調製器來產生精確控制的激光脈衝，脈衝寬度可調範圍從100ns到5μs。微波部分則採用高性能的信號發生器和放大器，通過精心設計的傳輸線將微波信號送入密封池內。輸出信號經過放大後，由高速數據採集系統記錄和分析。
圖2：單音光譜測量的脈衝配置(a)及真空(b)，超流氦(c)環境下的測試結果
實驗主要進行了兩類關鍵測量：單音光譜和拉比振蕩。
1.在單音光譜測量中，研究人員固定激光脈衝寬度為5μs，重複周期為2ms，通過改變激光功率和測量延遲時間來觀察諧振腔頻率的動態變化，如圖2所示。
2.拉比振蕩測量則採用更短的100ns激光脈衝，重點考察量子比特控制性能的恢復情況，如圖1(c)，所示。所有測量數據都經過嚴格的統計處理，確保結果的可靠性。
圖3：拉比振蕩測量的脈衝配置(a)及真空(b)，超流氦(c)環境下的對比結果
本研究通過兩種關鍵測量方法系統評估了超流氦的冷卻效果。單音光譜測量（圖2）揭示了超流氦環境下的顯著熱管理優勢：在-20dbm激光功率下，超流氦中的信號基線偏移僅3.5db，較真空環境的11.8db改善達8.3db。圖2(c)顯示其恢復時間常數（72-117μs）雖略長於真空（55-96μs），但完全熱化僅需2ms周期，而真空環境則無法完全恢復。這種差異源於超流氦更高效的聲子輸運特性。
圖4：對比了真空(紅)與超流氦(藍)中量子比特π脈衝點的激發態布居數(pₑ)隨時間演化。
拉比振蕩測量（圖3）進一步驗證了量子比特操控性能的提升。圖3(c)顯示在超流氦中，即使激光重複周期縮短至1ms（真空為2ms），激發態布居數(pₑ)仍保持穩定。圖4的量化對比更具說服力：在等效-19dbm功率下，超流氦中的pₑ衰減時間常數（28μs）優於真空-40dbm時的35μs，且數據波動更小（置信區間縮小6倍）。特別值得注意的是圖3(e)展示的功率耐受性突破——超流氦使系統可承受的激光功率提升超過10db，從真空的-40dbm閾值躍升至-30dbm以上。這些實驗結果共同證明，超流氦通過雙重機制（快速熱耗散和准粒子抑制）實現了量子比特性能的全面提升。
研究成果與意義
本研究通過超流氦冷卻技術，成功突破了量子比特在光學激發下的性能瓶頸——從10倍速的恢復能力提升，到10db量級的功率耐受增強，每項數據都刷新了量子器件的性能上限。這項突破為微波-光學量子轉導提供了關鍵技術支持，將加速量子網絡與量子計算的實用化進程。
未來，隨着超流氦封裝技術的完善和新型超導材料的引入，這項冷卻方案有望成為大規模量子處理器的“標準配置”，推動量子科技從實驗室走向產業化。這場始於超流體與量子比特的“冷相遇”，或將開啟量子計算穩定運行的新紀元——而我們，正在見證這一轉折點的到來。
