传统的计算机将信息存储在一个位中，这是一个基本的逻辑单元，可以取值为0或1.量子计算机依靠量子位，也称为“量子位”，作为它们的基本构建块。传统计算机中的比特编码单个值，可以是0或1.相比之下，量子比特的状态可以同时具有0和1的值。这种特殊性质是量子物理学基本定律的结果，导致量子系统的巨大复杂性。

量子计算是一个新兴且快速发展的领域，它承诺利用这种复杂性来解决传统计算机难以解决的问题。然而，量子计算的一个关键挑战是它需要使大量量子位一起工作 - 这很难实现，同时避免与外部环境的相互作用，这会破坏量子特性的量子比特。

来自Oskar Painter实验室的新研究 ，John G Braun工程与应用科学部应用物理与物理教授，探讨了使用超导超材料来克服这一挑战。

超材料是通过将多种成分材料以小于光波长的比例组合而特别设计的，使其能够操纵光或光子的粒子的行为。超材料可用于以几乎任何所需的方式反射，转向或聚焦光束。超材料还可以创建一个频带，其中光子的传播变得完全被禁止，即所谓的“光子带隙”。

加州理工学院的团队使用光子带隙将微波光子捕获在超导量子电路中，为构建未来的量子计算机创造了一种很有前途的技术。

“原则上，这是一个可扩展且灵活的基板，可在其上构建用于互连某些类型量子比特的复杂电路，”负责该研究的组织负责人Painter说，该研究于9月12日在Nature Communications 上发表 。“不仅可以使用量子比特之间连接的空间排列，但也可以将连接设计为仅在某些所需频率下发生。“

Painter和他的团队创建了一个由超导体薄膜组成的量子电路 - 这种材料可以传输电流，几乎没有能量损失地追踪到硅微芯片上。这些超导模式将微波从微芯片的一部分传输到另一部分。然而，使系统在量子状态下工作的原因是使用所谓的约瑟夫森结，其由夹在两个超导电极之间的原子级薄的非导电层组成。约瑟夫森结产生了微波光子源，其具有两种不同的和孤立的状态，如原子的地面和激发的电子态，它们参与光的发射，或者，在量子计算的语言中，是量子比特。

“超导量子电路允许人们使用微波电路进行基本的量子电动力学实验，看起来它可能直接从你的手机中被拉出来，”Painter说。“我们相信用超导超材料增强这些电路可能会使未来的量子计算技术成为可能，并进一步研究更复杂的量子系统，这些系统超出了我们使用最强大的经典计算机模拟进行建模的能力。”

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