新实验在技术之间转换量子信息是量子互联网的重要一步

铌超导腔。这些孔通向隧道，这些隧道相交以捕获光和原子。来源：艾西瓦娅·库马尔

研究人员发现了一种在不同种类的量子技术之间“翻译”量子信息的方法，对量子计算、通信和网络具有重大意义。

这项研究于周三发表在《自然》杂志上。它代表了一种将量子信息从量子计算机使用的格式转换为量子通信所需格式的新方法。

光子 - 光粒子 - 对于量子信息技术至关重要，但不同的技术以不同的频率使用它们。例如，一些最常见的量子计算技术是基于超导量子比特的，例如科技巨头谷歌和IBM使用的量子比特;这些量子比特将量子信息存储在以微波频率移动的光子中。

但是如果你想建立一个量子网络，或者连接量子计算机，你不能发送微波光子，因为它们对量子信息的控制太弱，无法在旅途中生存。

“我们用于经典通信的许多技术 - 手机，Wi-Fi，GPS和类似的东西 - 都使用微波频率的光，”芝加哥大学詹姆斯弗兰克研究所的博士后，该论文的第一作者Aishwarya Kumar说。“但你不能为量子通信做到这一点，因为你需要的量子信息在单个光子中。在微波频率下，这些信息将被埋没在热噪声中。

解决方案是将量子信息传输到更高频率的光子，称为光学光子，该光子对环境噪声的弹性要强得多。但是信息不能直接从光子传递到光子;相反，我们需要中介物质。一些实验为此目的设计了固态器件，但库马尔的实验瞄准了更基本的东西：原子。

原子中的电子只被允许具有某些特定量的能量，称为能级。如果一个电子处于较低的能级，则可以通过用能量与较高能级和较低能级之间的差异完全匹配的光子撞击它来激发到更高的能级。同样，当电子被迫下降到较低的能级时，原子会发射出一个光子，其能量与能级之间的能量差相匹配。

铷的电子能级示意图。其中两个能级间隙分别与光子和微波光子的频率相匹配。激光用于迫使电子跳跃到更高的水平或下降到较低的水平。来源：艾西瓦娅·库马尔

铷原子恰好有两个库马尔的技术利用的能级间隙：一个完全等于微波光子的能量，另一个正好等于光学光子的能量。通过使用激光上下移动原子的电子能量，该技术允许原子吸收具有量子信息的微波光子，然后发射具有该量子信息的光子。这种不同量子信息模式之间的转换称为“转导”。

有效地利用原子来实现这一目的，是因为科学家们在操纵这些小物体方面取得了重大进展。“我们作为一个社区在过去20或30年中建立了非凡的技术，使我们能够基本上控制原子的一切，”库马尔说。“所以实验非常可控和高效。

他说，他们成功的另一个秘诀是该领域在腔量子电动力学方面的进展，其中光子被困在超导反射室中。迫使光子在封闭的空间中反弹，超导腔加强了光子与放置在其中的任何物质之间的相互作用。

他们的房间看起来不是很封闭——事实上，它更像一块瑞士奶酪。但看起来像洞的东西实际上是以非常特定的几何形状相交的隧道，因此光子或原子可以被困在交叉点上。这是一个聪明的设计，还允许研究人员进入腔室，以便他们可以注入原子和光子。

该技术是双向的：它可以将量子信息从微波光子传输到光子，反之亦然。因此，它可以位于两台超导量子比特量子计算机之间远距离连接的两侧，并作为量子互联网的基本构建块。

但Kumar认为，这项技术可能不仅仅是量子网络，还有更多的应用。它的核心能力是强烈纠缠原子和光子——这是该领域许多不同的量子技术中必不可少的艰巨任务。

“我们真正兴奋的一件事是这个平台能够产生真正有效的纠缠，”他说。“纠缠是我们关心的几乎所有量子的核心，从计算到模拟，再到计量和原子钟。我很高兴看到我们还能做些什么。

更多信息：艾西瓦娅·库马尔等人，使用中性原子进行量子毫米波到光转导，《自然》（2023 年）。DOI： 10.1038/s41586-023-05740-2

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