光整合超導量子電腦：全光控制
2026.05.23除了用光纖連接不同製冷機中的超導量子電路之外，另一個正在發展中的方向， 是用光學訊號來控制或讀出超導量子晶片。這裡的「用光控制」需要小心區分： 目前大多數實驗並不是用單光子量子態直接對 qubit 做量子閘， 而是用光纖把調制後的光訊號送入低溫系統，再在低溫端把光訊號轉換成微波訊號， 用來控制或讀出超導 qubit。
這個方向的動機很明確：大型超導量子電腦需要大量微波控制線與讀出線。 傳統同軸線雖然可以傳送高品質微波訊號，但每一條線都會占用空間、導入熱負載， 並增加低溫佈線與封裝的複雜度。相比之下，光纖體積小、熱導率低、頻寬高， 因此有機會成為未來大規模 QPU 的高密度訊號傳輸方式。
光纖產生微波控制訊號
一種較直接的作法，是在室溫端產生調制雷射，透過 optical fibre 將光訊號送入 dilution refrigerator， 再由低溫 photodetector 將光訊號轉換成 microwave control signals。 這些微波訊號可以像傳統同軸線產生的控制脈衝一樣，用來驅動超導 qubit 的 Rabi oscillation、 單量子位元閘操作與讀出。
這種方法的意義在於：光纖本身不一定直接承載 qubit 的量子態， 但它可以取代部分進入低溫系統的 microwave cables，降低佈線密度與熱負載。 因此，它更接近「用光纖傳送控制訊號」，而不是「用光學單光子直接作為量子資訊載體」。
相干光學控制：microwave–optical quantum transducer
更進一步的方向，是使用 microwave–optical quantum transducer。 這類元件可以把光學頻率與微波頻率相干耦合，使光學訊號在低溫端轉換成可驅動超導 qubit 的微波訊號。 近期研究已展示 coherent optical control of a superconducting qubit： 研究團隊利用 microwave–optical quantum transducer 產生微波驅動場， 並觀察到由光學訊號驅動的 Rabi oscillations。
這項結果代表光學系統不只是能傳送古典控制訊號，也開始能與超導量子電路建立相干介面。 不過，目前這類 transducer 的轉換效率、附加雜訊、光致加熱與低溫整合仍是主要挑戰。 若未來能進一步提升效率並降低雜訊，它將可能成為量子資料中心中光纖互連與超導 QPU 之間的關鍵橋樑。
光學讀出：all-optical superconducting qubit readout
除了控制之外，也有研究嘗試用光學方式讀出超導 qubit。 所謂 all-optical superconducting qubit readout， 是指在低溫端使用電光轉換元件，將微波讀出訊號與光學訊號互相轉換， 讓讀出資訊可以透過光纖傳回室溫端。
這種 radio-over-fibre readout 的優點，是可以減少低溫微波放大器、循環器與大量同軸線的需求。 對未來上千、上萬甚至更多 qubit 的系統而言， 這類光學 I/O 架構有機會成為解決低溫訊號線瓶頸的重要方案。
| 研究方向 | 核心概念 | 技術意義 |
|---|---|---|
| Photonic link control | 用光纖傳送調制光，在低溫端 photodetector 轉成微波控制訊號。 | 可降低同軸線數量與熱負載，適合大規模 QPU 的高密度控制線路。 |
| Coherent optical control | 利用 microwave–optical quantum transducer，將光學訊號相干轉換成微波驅動場。 | 更接近真正的光學—超導量子介面，可望支援未來量子網路與模組化 QPU。 |
| All-optical readout | 透過電光轉換與 radio-over-fibre 架構，把 qubit 讀出訊號轉成光學訊號傳回室溫端。 | 有機會減少低溫放大鏈、循環器與同軸線，提升讀出系統的可擴展性。 |
| Quantum transduction | 在單光子層級實現 microwave photon 與 optical photon 的量子態轉換。 | 若能達到高效率、低雜訊，將成為超導量子電腦連接光纖量子網路的核心技術。 |
總結來說，用「量子光」控制超導量子晶片目前可分成兩個層次： 較成熟的是用光纖傳送調制光，並在低溫端轉換成微波控制或讀出訊號； 更前沿的是利用 microwave–optical quantum transducer， 讓光學訊號與超導 qubit 之間建立相干介面。
前者主要解決大型 QPU 的低溫佈線與熱負載問題； 後者則瞄準更長遠的目標：讓超導量子處理器能透過光學通道接入量子網路， 甚至實現跨模組、跨製冷機、跨資料中心的量子資訊交換。
▲光纖方案，（a）是傳統控制線路，（b）採用不同波長的載波混波技術，將控制訊號透過光電轉換器放到對應的載波上，通過光纖束進入到腔體中，再轉換回控制Qubit的控制訊號。
Ref: DOI: 10.1038/s41586-021-03268-x
▲透過Qubit頻率隔離，並且利用設計過的控制頻譜訊號，使得Qubit之間的控制可以隔離開來，便可通過單一控制線路控制多個Qubit。
arXiv:2501.10710v1
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Ref: All-optical superconducting qubit readout, DOI:10.1038/s41567-024-02741-4
用「量子光」連接超導量子晶片：微波光子與光纖光子
當我們說「用量子光連接超導量子位元晶片」時，需要先區分兩種不同層級的技術路線。 第一種是使用 微波光子（microwave photon） 作為量子資訊的載體； 第二種則是使用光纖中的 光學光子或電信波段光子（optical / telecom photon） 作為長距離傳輸媒介。 兩者都可以被稱為「量子光」，但在超導量子電腦硬體中，它們的成熟度與工程挑戰相當不同。
路線一：微波光子連結，最自然的超導量子通道
超導量子位元本身就是微波頻段的量子系統，因此最自然的 flying photon 並不是可見光或電信光， 而是 微波光子。在這條路線中，量子位元的狀態可以被轉換成可傳播的微波光子， 經由低溫同軸線或波導傳輸，再由遠端的另一個超導電路吸收。
ETH Zurich / Wallraff group 在 2020 年已展示跨製冷機的微波量子連結： 兩個 transmon qubit 分別位於兩台 dilution refrigerator 中， 中間透過低溫波導形成 cryogenic microwave quantum link， 使兩端超導量子電路能夠相干連接。 這是目前最直接對應「跨製冷機超導量子連結」的實驗路線。
路線二：光纖光子連結，邁向更長距離的量子網路
如果「量子光」指的是光纖中的光學光子或電信波段光子，則問題會更複雜。 因為超導量子位元工作在 GHz 微波頻段，而光纖通訊使用的是數百 THz 的光學頻段。 兩者之間相差約五個數量級以上，因此需要一種稱為 microwave-to-optical transducer 的量子轉換器。
這類轉換器的任務，是先把超導量子電路中的微波量子資訊轉換成可在光纖中傳播的 telecom optical photon，經由光纖傳輸後，再於遠端轉回微波量子態。 若這項技術成熟，超導量子電腦便不再只能依賴低溫微波線路，而有機會透過光纖形成更長距離、 更接近量子資料中心或量子網路的互連架構。
不過，目前光纖式跨製冷機超導量子連結仍屬於前沿研究。 近年的實驗已展示跨製冷機、公里級的 coherent photonic link 原型： 兩個分別位於不同 dilution refrigerator 的超導電路， 透過 aluminum nitride electro-optic transducers 與 1 km telecom optical fiber 進行相干訊號傳輸。 這代表光纖式超導量子互連已經從概念走向實驗平台， 但距離高保真、低雜訊、可直接支援 qubit-to-qubit 量子態傳輸或遠距量子閘，仍有相當大的技術門檻。
相關前置技術
除了直接跨製冷機連結之外，光纖與超導量子電路的整合還包括幾個重要前置方向。 例如，NIST 曾展示利用 optical fibre 將調制雷射送至低溫 photodetector， 在 mK 端直接產生 microwave control signals，並完成超導 qubit 的控制與讀出。 這條路線的重點，是用光纖取代大量進入製冷機的室溫同軸控制線， 但它傳送的是控制與讀出訊號，不是跨 QPU 的量子態。
另一個方向是 microwave-to-optical quantum transduction。 例如 Painter / AWS 團隊曾展示將 transmon 的 microwave-frequency excitation 轉換成 optical photon。 這類研究說明了微波與光學系統之間可以建立耦合， 但如何在轉換過程中完整保留脆弱的量子態，仍是量子轉換技術的核心挑戰。
近年也有研究展示 all-optical superconducting qubit readout， 也就是在低溫環境中透過電光轉換與 radio-over-fibre 架構讀出超導 qubit。 這顯示 telecom-wavelength light 與 superconducting circuits 的相容性正在提高， 也為未來模組化量子網路鋪路。
| 路線 | 是否已有跨製冷機展示 | 傳輸載體 | 成熟度 |
|---|---|---|---|
| 低溫微波量子連結 | 有 | Microwave photon / waveguide | 較成熟，已展示跨製冷機超導電路的相干連結。 |
| 光纖 photonic link | 有原型 | Optical / telecom photon | 快速發展中，但仍需提高轉換效率、降低雜訊，並驗證真正的量子態傳輸能力。 |
| 完整光纖式量子態傳輸或遠距量子閘 | 尚未成熟 | Microwave ⇄ optical ⇄ microwave | 仍屬前沿研究目標，是未來量子資料中心與長距離超導量子網路的重要方向。 |
總結來說，目前跨製冷機超導量子連結最成熟的實驗路線，是使用低溫微波光子通道， 直接在兩台 dilution refrigerator 之間傳送微波量子資訊。 若要進一步走向更長距離或資料中心尺度，另一條重要路線則是 microwave-to-optical transduction： 把超導電路中的微波量子資訊轉換成可在光纖中傳播的 telecom optical photon， 再於遠端轉回微波量子態。
因此，「用光連接超導量子晶片」確實已經出現跨製冷機與公里級光纖連結的實驗原型； 但若要求高效率、低雜訊、可用於容錯量子計算的完整量子互連， 目前仍是量子硬體領域中的前沿研究課題。
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Ref: https://arxiv.org/abs/2508.02444
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Ref: https://arxiv.org/abs/2508.02444
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Ref: https://arxiv.org/abs/2508.02444
飛行微波光子與超導量子位元的糾纏：邁向「全量子控制堆疊」
在傳統超導量子電腦中，量子位元雖然是量子系統，但控制與讀出大多仍依賴古典微波脈衝： 我們用室溫電子學產生一個相干微波訊號，再把它送入低溫晶片，驅動 qubit 產生 Rabi rotation。 這樣的微波場通常可以近似為古典波，因為它包含大量光子，其量子漲落相對於平均振幅很小。
然而，這項研究展示的是更深一層的問題：如果微波場本身不只是古典控制訊號，而是一個真正的 量子光場，它能否與超導量子位元形成糾纏？ 換句話說，能不能讓一個固定在晶片上的 superconducting qubit，和一個沿傳輸線傳播的 itinerant microwave photon 共同形成一個非局域量子態？
這正是「飛行量子位元」在超導量子架構中的核心意義。 晶片上的 transmon 或 superconducting qubit 是 stationary qubit； 沿著傳輸線離開晶片、可攜帶量子資訊的微波光子則是 flying qubit。 若兩者能夠產生糾纏，就代表超導量子處理器不再只是局部晶片上的量子系統，而可以透過量子光場建立模組之間的量子連結。
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Ref: Observation of Entanglement between Itinerant Microwave Photons and a Superconducting Qubit, DOI:10.1103/PhysRevLett.109.240501
實驗的核心概念：把 qubit 的量子態寫入飛行微波光子
這個實驗可以用一句話概括：
固定的超導量子位元 + 傳播中的微波光子 = 混合型量子糾纏態
系統中有一個 superconducting qubit，它與一個微波共振腔耦合。 研究者先用微波脈衝準備 qubit 的疊加態，接著透過 qubit 與共振腔之間的受控交互作用， 將 qubit 的量子資訊部分轉移到共振腔場，再讓這個場從共振腔中洩漏出去，形成一個沿傳輸線傳播的微波波包。
如果設計得當，最後得到的不是單純的「qubit 在某個態、光子在某個態」， 而是一個糾纏態。例如可概念性地寫成：
\( |g\rangle |1\rangle + |e\rangle |0\rangle \)
這裡的 \( |g\rangle \) 與 \( |e\rangle \) 是超導量子位元的基態與激發態， 而 \( |0\rangle \)、\( |1\rangle \) 代表傳播微波場中的零光子與單光子成分。 重點不是光子數本身，而是 qubit 狀態與飛行光場狀態之間存在不可分解的量子相關性。
為什麼這不是傳統微波控制？
傳統微波控制中，微波場通常被視為一個古典控制參數：
\( a \rightarrow \alpha(t) \)
也就是說，場算符 \( a \) 被替換成一個複數振幅 \( \alpha(t) \)， qubit 感受到的是一個可調振幅、相位與頻率的 Rabi drive。 這種控制非常成功，但微波場本身並沒有被當作量子資訊載體。
這項研究則不同。這裡的微波場不是只提供一個古典振幅，而是保留了零光子、一光子、二光子等 Fock-state 成分， 並且與 qubit 形成糾纏。 因此，微波場不能再簡單地替換成 \( \alpha(t) \)； 它必須被視為一個真正的量子自由度。
這就是從「古典微波控制」走向「量子光場控制與互連」的關鍵轉變。
實驗架構：產生、傳送與量測飛行微波量子態
下圖顯示了實驗裝置的核心。左側是超導量子位元與共振腔結構， 研究者透過不同頻率的微波脈衝控制 qubit 與 cavity field。 右側則是量測鏈，包含低雜訊的 Josephson parametric amplifier， 用來放大非常微弱的飛行微波量子場。
對傳播中的微波光子來說，量測比對固定腔內光子更困難。 因為光子一旦離開腔體，就成為一個時間波包；研究者必須量測它的兩個 quadratures， 也就是類似電磁場的 \(X\) 與 \(P\) 分量，並從大量單次量測資料中重建其量子態。
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Ref: Observation of Entanglement between Itinerant Microwave Photons and a Superconducting Qubit, DOI:10.1103/PhysRevLett.109.240501
如何證明真的有糾纏？
單純看到 qubit 被激發，或看到微波訊號出現，並不足以證明糾纏。 要證明 qubit 與傳播光場之間有量子糾纏，必須重建它們的聯合量子態。
圖中的相空間分布顯示了不同 qubit 投影條件下，微波場在 \(X\)-\(P\) 平面上的分布。 對古典雜訊而言，這些分布只會反映一般機率相關； 但若場與 qubit 之間存在量子糾纏，則 qubit 的 Pauli operators \( \sigma_x \)、\( \sigma_y \)、\( \sigma_z \) 會和光場的 moments 產生特定的非古典相關。
因此，研究者量測並重建了下列形式的相關量：
\( \langle (a^\dagger)^n a^m \sigma_i \rangle \)
這些量同時包含光場的 photon-number moments 與 qubit 的 Pauli 測量結果。 換句話說，它們不是只問「光場長什麼樣子」，也不是只問「qubit 在哪個態」， 而是問：
qubit 的量子方向與飛行光場的量子結構是否彼此鎖定？
圖中的密度矩陣重建結果顯示，系統確實具有 Bell-type entangled state 的特徵。 這代表飛行微波光子不只是訊號載體，而是真正攜帶與 qubit 糾纏的量子資訊。
這項研究的重要性
這項工作的重要性在於，它把超導量子電路從「晶片內部的量子系統」推向「可傳播的量子網路」。 在一般 superconducting quantum processor 裡，qubit 多半被限制在晶片上的局域電路中； 但若能把 qubit 狀態與飛行微波光子糾纏，就有機會把量子資訊送往另一個模組、另一個晶片， 甚至進一步透過 microwave-to-optical transduction 連接到長距離光纖網路。
從研究路線來看，這項實驗連接了三個重要方向：
- 量子光控制： 不再只用古典微波脈衝控制 qubit，而是讓單光子、Fock state 或其他非古典微波態參與 qubit dynamics。
- 量子光互連： 讓飛行微波光子成為 superconducting qubits 之間的量子匯流排，也就是 photonic quantum bus。
- 量子光讀出： 透過對傳播場的 quadrature tomography 或低雜訊放大，讀出 qubit 與光場之間的量子相關。
與「全量子控制堆疊」的關係
如果我們把傳統超導量子電腦看成：
古典控制電子學 → 微波脈衝 → 超導量子位元
那麼這類研究指向的是更進一步的架構：
量子光場 → 量子互連 → 量子讀出 → 超導量子位元
也就是說，控制、互連與讀出的媒介本身也逐漸量子化。 這不是單純把微波線換成光纖，也不是只把古典訊號搬到另一種頻段； 真正關鍵的是：傳播場本身是否保留 Fock-state、squeezing、entanglement 等非古典資源。
因此，這項研究可以被視為「全量子控制堆疊」的一個早期核心示範： 它證明了固定的超導量子位元可以與飛行中的微波光子形成可觀測、可重建的量子糾纏。 這為未來的模組化超導量子電腦、量子網路、量子微波光子學，以及量子增強讀出技術奠定了基礎。
簡言之，這篇研究的精神不是「用更好的古典微波控制 qubit」， 而是展示：
微波光子本身可以成為超導量子資訊處理中的量子自由度。
王培儒