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 傳統的計算機將信息存儲在一個比特中，比特是一個邏輯單元，它可以取0或1。量子計算機依賴于量子比特，這是它們的基本構建塊。傳統計算機中的比特編碼單個值，即0或1。相比之下，量子位的狀態可以同時具有0和1的值。這種特殊的性質，是量子物理基本定律的結果，導致了量子系統極具復雜性。

量子計算是一個新興的、快速發展的領域，它或許可以利用這種復雜性來解決傳統計算機難以處理的各種問題。然而，量子計算的一個關鍵挑戰是，它需要使大量的量子位來一起工作，目前來看這還很難實現，因為這要求量子避免與外部環境的相互作用，但這樣將剝奪量子位的量子特性。

Oskar Painter實驗室，工程與應用科學系應用物理學教授John G Braun及逆行了一項最新研究，探索了超導超材料的應用以克服這一挑戰。

超材料是通過比光波長更小的比例組合多種組分材料而特別設計的，從而賦予它們操縱光粒子或光子行為的能力。超材料可用于反射、轉動或聚焦光束。超材料也可以產生禁止光子傳播的頻帶，即所謂的“光子帶隙”。

加州理工學院的研究小組，利用光子帶隙在超導量子電路中捕獲了微波光子，為未來量子計算機的建設創造了一項有前途的技術。

“原則上，這是一種靈活可伸縮的襯底，可以在它上面構建用于互連某些類型量子位的復雜電路，”Painter說，他是這項研究的團隊領導人，這項研究發表在9月12日的《自然通訊》雜志上。不僅可以進行量子比特之間的連通性的空間安排，而且還可以設計連接只發生在特定的期望頻率。

Painter和他的團隊創建了一個由超導體薄膜組成的量子電路，這種材料能傳輸電流，并且在硅微芯片上幾乎沒有能量損失。這些超導圖案將微波從微芯片的一部分傳送到另一部分。然而，使系統工作在量子態的是使用所謂的約瑟夫森結，它由夾在兩個超導電極之間的原子厚度的非導電層組成。約瑟夫森結產生微波光子源，這個源具有兩個截然不同的孤立狀態，就像原子的基態和激發電子態，它們參與光的發射，或者是量子計算的語言中一個量子位。

Painter說：“超導量子電路允許人們使用微波電路進行基本的量子電動力學實驗，微波電路看起來像是直接從手機上拿出來的。”我們相信，用超導超材料來增強這些電路可能使未來的量子計算技術成為可能，有了這些，人們才得以進一步研究更復雜的量子系統，這些系統超出了我們使用最強大的經典計算機模擬建模的能力。”