一組研究人員在代爾夫特理工大學(xué)的Leo Kouwenhoven領(lǐng)導(dǎo)下研究了一個(gè)基于超導(dǎo)電性的基本特性的片上微波激光器，具有交流約瑟夫遜效應(yīng)。他們的嵌入式中斷超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)的一小部分，安置在一個(gè)精心設(shè)計(jì)的片上腔上。這種裝置可以開(kāi)辟出很多應(yīng)用程序，具有最小的功耗微波輻射是這種技術(shù)開(kāi)門(mén)的鑰匙，例如實(shí)現(xiàn)一個(gè)可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
科學(xué)家把他們的研究成果發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。
激光器具有獨(dú)特的特性，發(fā)射完全同步的相干光的能力。這意味著線寬（對(duì)應(yīng)于顏色）非常窄。典型的激光器是由大量的發(fā)射器（原子、分子或半導(dǎo)體載體）組成的。這些常規(guī)激光器通常是低效的，并且在激射過(guò)程中損耗大量的熱量。這使得它們很難在低溫環(huán)境下運(yùn)行，例如在操作量子計(jì)算機(jī)時(shí)。
超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)點(diǎn)
1911年，荷蘭物理學(xué)家Heike Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)，在非常低的溫度下的一些材料，會(huì)向超導(dǎo)狀態(tài)過(guò)渡，使電流的流動(dòng)沒(méi)有任何能量損失。其中一個(gè)最重要的應(yīng)用是超導(dǎo)約瑟夫遜效應(yīng)：如果一個(gè)很短的屏障中斷一塊超導(dǎo)體，電子傳輸會(huì)在該通道內(nèi)以非量子力學(xué)的規(guī)律通過(guò)超導(dǎo)材料。此外，他們?cè)谝粋€(gè)非常特定的頻率進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，它可以由外部施加的直流電壓實(shí)現(xiàn)變化。因此，約瑟夫遜結(jié)是一個(gè)完美的壓光（頻率）變換器。
約瑟夫遜結(jié)激光器
QuTech的科學(xué)家們耦合鏈接了這樣一個(gè)單一的約瑟夫遜結(jié)，在一個(gè)大小如螞蟻那樣的微腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因數(shù)。約瑟夫遜結(jié)的特性像一個(gè)單個(gè)的原子，而腔可以看作兩鏡微波光。當(dāng)一個(gè)小的直流電壓被施加到這個(gè)約瑟夫遜結(jié)上時(shí)，它發(fā)出的微波光子在腔的共振頻率。光子來(lái)回反彈兩超導(dǎo)鏡之間，并迫使約瑟夫遜結(jié)放出更多的光子，并與在腔內(nèi)光子是同步的。
通過(guò)冷卻裝置降到超低溫度（＜1開(kāi)爾文）和應(yīng)用DC小電壓的約瑟夫遜結(jié)，研究人員觀察了微波光子發(fā)射的激光器輸出的相干光束。由于芯片上的激光完全由超導(dǎo)體制成，所以它比以前證明的半導(dǎo)體激光器更節(jié)能、更穩(wěn)定。它采用低于皮瓦功率運(yùn)行，比一個(gè)電燈要輕1000億倍。
低損耗量子控制
效率高品質(zhì)好的相干微波光源，在目前的未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中是必不可少的。微波脈沖被用來(lái)讀出和傳輸信息，糾正錯(cuò)誤，訪問(wèn)和控制單個(gè)量子元件。雖然目前的微波源是昂貴和低效的，由QuTech制造的約瑟夫森結(jié)作為一種高效率的激光源，并是一種易于控制和修改的芯片解決方案。
該研究小組使用可調(diào)諧約瑟夫森結(jié)進(jìn)行擴(kuò)展其設(shè)計(jì)，這種約瑟夫森結(jié)是由納米線制作而成，允許多量子元件的快速控制微波發(fā)射。在未來(lái)，這樣的設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生所謂的“振幅壓縮”的光，相比傳統(tǒng)的激光器其具有較小的強(qiáng)度波動(dòng)，這對(duì)于大多數(shù)量子通信協(xié)議來(lái)說(shuō)是必不可少的。這項(xiàng)工作標(biāo)志著大的量子計(jì)算系統(tǒng)的控制邁出了重要一步。
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