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我本人是做微波的,姑且从我自己所了解的角度来说一说我自己目前对这个问题的答案。微波一般指波长在1 mm - 1 m之间的电磁波,对应频率300 MHz - 300 GHz。但今天我们谈论的微波电路一般比较适合20 GHz以下(波长cm以上)的微波信号,对于“毫... 显示全部 »
我本人是做微波的,姑且从我自己所了解的角度来说一说我自己目前对这个问题的答案。微波一般指波长在1 mm - 1 m之间的电磁波,对应频率300 MHz - 300 GHz。但今天我们谈论的微波电路一般比较适合20 GHz以下(波长cm以上)的微波信号,对于“毫米波”通常需要专门的技术。微波电路与直流和工频电路有不小的区别(在微波频由于趋肤效应无法简单使用直流导线),但归根结底依然是“电路”,而与传统意义上的由反射镜、光栅、透镜等元器件组成的“光路”显然有着更显著的区别。可见光的波长是400 nm - 800 nm,对应频率375 THz - 750 THz。所以一个GHz频率的微波光子的能量比一个光频光子低5个数量级。一方面,这意味着微波测量能够探测更精细的能级结构(例如原子超精细能级,各种自旋能级,和固体系统中的各种低能激发模式)——直观地说,对于频谱测量,微波比可见光的分辨率要高出五个数量级。但另一方面,微波测量的信噪比会受显著得受热噪音影响,300K的室温环境对应几百上千个微波光子的能量,即使是4K的环境都会对应几十个微波光子的噪音——因此,将微波测量应用于单光子水平的量子光学实验、尤其是精密测量实验的前置科技是超低温制冷。事实上,也正是在稀释制冷技术(可以制冷到10mK水平)的普及和成本下降,才推进了近十几年微波光子学,尤其是超导电路平台的快速发展。(p.s. 说句题外话,这正是基于超导电路的量子计算系统或许永远无法脱离稀释制冷机的超低温运行,即使未来有成熟的高温超导技术。因为超导量子计算需要的不仅仅是低于超导临界温度,更要求环境的热噪音相对微波信号足够低)除了频率(或者说单光子能量)这个本质的区别以外,微波测量相关的技术有以下这些特点(Devoret&Roy, 2018):1. 调制微波信号和调制光信号达到同样的相对误差水平,前者的成本要更低:1.1 市面上能买到的商用微波源有极佳的频率稳定性,产生一个几GHz的相干微波信号,频率随时间的浮动可以达到sub Hz的水平。作为对比,激光器想要实现10^-9水平的稳频控制(100 MHz以下的锁频)是相对比较困难的。这主要也是得益于微波的波长更长,因此对于微小的机械振动不敏感。1.2 得益于快速数字电路技术,尤其是FPGA技术的发展,我们有能力以极高的精确度调制频域展宽不超过50 MHz(相邻两点时间步长20 ns)的微波波包。也就是说,相对若干GHz的载波频率,现有的技术能以较低成本实现相对展宽1%以上的任意波形调制。2. 我们有成熟的微纳加工工艺可以将绝大多数微波电路元器件都可以近似lumped-element的方式集成在一张芯片上,与此同时,现有的fab工艺可以将微波电路与各种固体系统做on-chip的集成。这使得用微波天然适合凝聚态系统中的实验。3. 具体对于超导电路来说,存在约瑟夫森结(Josephson Junction)这样一个简单可控鲁棒性强的、无能量耗散的、从单光子水平到mA电流都能工作的非线性元件。基于约瑟夫森结,我们有设计人造量子系统(例如超导qubit)的能力。相对原子,超导qubit(或可称之为人造原子)可以具有定制化的能级结构,从而减少对信息处理的其它环节的硬性限制。此外,基于约瑟夫森结这样一种“干净的”非线性元件所实现的约瑟夫森参数放大器等元件也具有比所有类似功能的半导体元件都更低的噪音。将上述的一些点反过来用,则就是光学测量的优势了:1. 在足够精巧的实验设计下,使用频率更高波长更短的电磁波可以实现相对不确定度更低的位移或时间差的测量(LIGO,光频原子钟等)。这是一项非常根本的优势。2. 可见光的绝对频率范围足够宽,因此用作信息传输媒介可以实现远大于微波的信息容量。而且,可见光信号在光纤中传输的耗散要显著低于微波信号在普通(非超导)传输线中的耗散。除此之外,可见光信号可以在自由空间中做远距离传输,这是微波信号极难实现的。3. 大多数光学信号天然地对于热噪音不敏感(相比微波信号来说),因此在大多数场合并不需要极低噪音的模拟信号处理元件(例如量子极限水平的放大器)就能实现相当高的信噪比。4. 具体对于量子信息处理来说,基于自然原子和离子系统的qubit天然地具有更好的量子相干性(相比固体系统中实现的人造原子而言)。5(?). 我一直有一个印象,大功率(或者说光子流量大)的相干光源比同等光子流的相干微波源要相对更易实现,不确定这一印象是否属实。或许一方面原因是使用大功率微波源总是需要担心破坏超低温环节,而大功率光源这方面的担心相对较少。欢迎补充,尤其是来自光学实验相关背景的补充!