传统计算机以比特为单位存储信息，比特是一个基本的逻辑单位，可以取值为0或1。量子计算机依赖于量子位，也称为“量子位”，作为其基本构建模块。在传统计算机中，位编码一个值，可以是0或1。相比之下，量子位的状态可以有0和1两个值。这种特殊性质是量子物理基本定律的结果，导致了量子系统的极大复杂性。
量子计算是一个新兴的快速发展的领域，它承诺利用这种复杂性来解决传统计算机无法解决的问题。然而，量子计算的一个关键挑战是，它需要让大量的量子比特协同工作——这很难实现，同时要避免与外部环境的相互作用，这种相互作用会破坏具有量子特性的量子比特。
来自Oskar Painter实验室的新研究，应用物理学和物理学教授，John G Braun工程和应用科学系，探索了使用超导超材料来克服这一挑战。
超材料是通过以小于光波长的比例组合多种成分的材料而专门设计的，因此它们可以操纵光粒子或光子的行为。超材料可以用来以几乎任何想要的方式反射、转向或聚焦光束。超材料还可以创造一个频带，在这个频带内光子的传播变得完全禁止，即所谓的“光子带隙”。
加州理工学院的团队利用光子带隙在超导量子电路中捕获微波光子，这为构建未来的量子计算机创造了一项有前景的技术。
“原则上，这是一种可扩展的柔性基板，在其上可以构建用于互连特定类型量子位的复杂电路，”负责该研究的组织负责人Painter说，该研究发表在9月12日的《自然通讯》上。“不仅可以使用量子位之间连接的空间排列，还可以设计连接，使其只在某些需要的频率下发生。”
佩因特和他的团队创造了一种由超导体薄膜组成的量子电路——这种材料可以传输电流，并将其追踪到硅微芯片，几乎没有能量损失。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，系统之所以工作在量子态，是因为使用了所谓的约瑟夫森结，它是由夹在两个超导电极之间的原子薄非导电层构成的。约瑟夫森结产生微波光子源，微波光子源有原子基态和激发态两种不同且孤立的状态。它们参与光的发射，或者用量子计算的语言来说，是量子位。
“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拉出，”佩因特说。“我们认为，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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