新实验在技术之间转换量子信息，这是量子互联网的重要一步

由柏拉图重新发布

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24 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻）研究人员发现了一种在不同类型的量子技术之间“翻译”量子信息的方法，这对量子计算、通信和网络具有重大影响。该研究发表在期刊上自然 (“使用中性原子实现量子毫米波到光转换”）。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的格式的新方法。

铌超导腔。这些孔通向相交的隧道，以捕获光和原子。（图片来源：艾西瓦娅·库玛尔）光子（光的粒子）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基于超导量子位，例如科技巨头谷歌和IBM使用的技术；这些量子位将量子信息存储在以微波频率移动的光子中。但如果你想建立一个量子网络，或者连接量子计算机，你就无法发送微波光子，因为它们对量子信息的控制太弱，无法在旅途中生存。芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所的博士后艾西瓦娅·库马尔 (Aishwarya Kumar) 表示：“我们用于传统通信的许多技术——手机、Wi-Fi、GPS 等——都使用光的微波频率。”该论文的主要作者。 “但是对于量子通信你不能这样做，因为你需要的量子信息位于单个光子中。在微波频率下，这些信息将被隐藏在热噪声中。” 解决方案是将量子信息转移到更高频率的光子（称为光学光子），它对环境噪声的抵抗能力要强得多。但信息不能直接从一个光子转移到另一个光子；相反，我们需要中介物质。一些实验为此目的设计了固态设备，但库马尔的实验旨在研究更基本的东西：原子。原子中的电子只允许具有某些特定的能量，称为能级。如果电子处于较低的能级，则可以通过用光子撞击电子将其激发到较高的能级，该光子的能量与较高能级和较低能级之间的差异完全匹配。类似地，当电子被迫下降到较低的能级时，原子就会发射出能量与能级之间的能量差相匹配的光子。铷能级

铷的电子能级图。其中两个能级间隙分别与光学光子和微波光子的频率匹配。激光用于迫使电子跳跃到更高的水平或下降到更低的水平。（图片来源：艾西瓦娅·库玛尔）库马尔的技术利用了铷原子的能级中的两个间隙：一个恰好等于微波光子的能量，另一个恰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学光子。这种不同模式的量子信息之间的转换称为“转导”。科学家在操纵此类小物体方面取得的重大进展使有效利用原子实现这一目的成为可能。 “我们作为一个社区在过去 20 或 30 年里已经建立了卓越的技术，使我们能够基本上控制有关原子的一切，”库马尔说。 “所以这个实验是非常可控且高效的。” 他说，他们成功的另一个秘诀是腔量子电动力学领域的进展，其中光子被困在超导反射室中。超导腔迫使光子在封闭空间内弹跳，从而增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捕获在交叉点处。这是一个巧妙的设计，还允许研究人员进入腔室，以便注入原子和光子。该技术是双向的：它可以将量子信息从微波光子转移到光学光子，反之亦然。因此，它可以位于两台超导量子位量子计算机之间的长距离连接的任一侧，并作为量子互联网的基本构建块。但库马尔认为，这项技术可能有更多的应用，而不仅仅是量子网络。它的核心能力是强烈纠缠原子和光子——在该领域的许多不同量子技术中，这是一项重要且艰巨的任务。 “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，从计算到模拟到计量和原子钟。我很高兴看到我们还能做些什么。”