零偏置电光光纤链路实现超导量子比特的高保真操控：热负载与信噪比的双重突破

为解决大规模量子计算中控制线路热负载与信噪比（SNR）的瓶颈问题，南京大学团队创新性地提出并验证了一种基于零偏置电光调制器（null-biased EOM）的光纤链路操控方案。该研究首次实现了超导量子比特（transmon qubit）在零偏置条件下的相干操控，通过频率和时间域表征证实其性能与传统同轴电缆相当，同时显著降低热负载并提升SNR。实验演示了双量子比特并行控制，为百万级量子比特系统的热管理提供了关键技术路径，成果发表于《Nature Communications》。

　　

量子计算的核心挑战之一是如何在极低温环境下操控百万级量子比特而不引入热噪声。传统同轴电缆在传输微波信号时会产生显著热负载，而现有电光光纤链路虽能缓解该问题，但需将电光调制器（EOM）偏置在正交点（quadrature point），仍存在直流分量大、信噪比受限等缺陷。南京大学团队另辟蹊径，提出将EOM偏置于零偏置点（null point），通过理论推导与实验验证，首次实现超导量子比特的高保真操控，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用Mach-Zehnder强度调制器构建光纤链路，结合任意波形发生器（AWG）和IQ混频器生成矢量信号。关键实验技术包括：1）频率域双音谱分析对比零偏置光纤链路与同轴电缆驱动的谱线宽度（FWHM）；2）时间域Rabi振荡测量验证操控速度（最高106 MHz）；3）T₁、T₂^*和T_2E相干性测试；4）双量子比特并行控制实验；5）数值模拟比较零偏置与正交偏置方案的主动热负载和SNR。

频率域表征
通过两音谱分析发现，零偏置链路在-20 dBm至-2 dBm驱动功率范围内产生的0-1跃迁线宽与传统同轴电缆（-46 dBm至-12 dBm）完全一致，证实其无额外退相干效应。

时间域表征
Rabi振荡实验显示零偏置链路具有二次方依赖关系（Ω_R∝ε(t)²），与传统链路的线性关系形成鲜明对比。统计测量表明两者在T₁（约30 μs）、T₂^*（约20 μs）和T_2E（约25 μs）上无显著差异。

矢量控制与并行性
通过单边带调制技术实现布洛赫球面任意轴旋转，X_π门保真度达98.85%。双量子比特并行控制实验（5.112 GHz与4.145 GHz驱动）首次验证了该技术的可扩展性。

理论优势分析
零偏置方案输出光功率公式P_null(t)≈(P₂/2)m₂²(1-cos2ωt)表明其具有天然全深度调制特性。数值模拟显示：在调制深度m=0.5、占空比D<1%时，可寻址量子比特数比正交偏置方案高一个数量级；SNR在m<1时提升超过15 dB。

该研究突破性在于：1）首次实现零偏置EOM驱动超导量子比特；2）通过频率倍增效应（驱动频率仅为比特频率一半）降低对射频仪器要求；3）为百万级量子处理器提供低热负载、高SNR的控制方案。未来可进一步探索其在高频（>20 GHz）量子比特系统中的应用潜力。