传统的计算机将信息存储在一个比特中，比特是一个逻辑单元，它可以取0或1。量子计算机依赖于量子比特，这是它们的基本构建块。传统计算机中的比特编码单个值，即0或1。相比之下，量子位的状态可以同时具有0和1的值。这种特殊的性质，是量子物理基本定律的结果，导致了量子系统极具复杂性。

量子计算是一个新兴的、快速发展的领域，它或许可以利用这种复杂性来解决传统计算机难以处理的各种问题。然而，量子计算的一个关键挑战是，它需要使大量的量子位来一起工作，目前来看这还很难实现，因为这要求量子避免与外部环境的相互作用，但这样将剥夺量子位的量子特性。

Oskar Painter实验室，工程与应用科学系应用物理学教授John G Braun及逆行了一项最新研究，探索了超导超材料的应用以克服这一挑战。

超材料是通过比光波长更小的比例组合多种组分材料而特别设计的，从而赋予它们操纵光粒子或光子行为的能力。超材料可用于反射、转动或聚焦光束。超材料也可以产生禁止光子传播的频带，即所谓的“光子带隙”。

加州理工学院的研究小组，利用光子带隙在超导量子电路中捕获了微波光子，为未来量子计算机的建设创造了一项有前途的技术。

“原则上，这是一种灵活可伸缩的衬底，可以在它上面构建用于互连某些类型量子位的复杂电路，”Painter说，他是这项研究的团队领导人，这项研究发表在9月12日的《自然通讯》杂志上。不仅可以进行量子比特之间的连通性的空间安排，而且还可以设计连接只发生在特定的期望频率。

Painter和他的团队创建了一个由超导体薄膜组成的量子电路，这种材料能传输电流，并且在硅微芯片上几乎没有能量损失。这些超导图案将微波从微芯片的一部分传送到另一部分。然而，使系统工作在量子态的是使用所谓的约瑟夫森结，它由夹在两个超导电极之间的原子厚度的非导电层组成。约瑟夫森结产生微波光子源，这个源具有两个截然不同的孤立状态，就像原子的基态和激发电子态，它们参与光的发射，或者是量子计算的语言中一个量子位。

Painter说：“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，微波电路看起来像是直接从手机上拿出来的。”我们相信，用超导超材料来增强这些电路可能使未来的量子计算技术成为可能，有了这些，人们才得以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建模的能力。”