新實(shí)驗(yàn)在量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步中在技術(shù)之間轉(zhuǎn)換量子信息

研究人員發(fā)現(xiàn)了一種在不同種類的量子技術(shù)之間“轉(zhuǎn)換”量子信息的方法，對(duì)量子計(jì)算、通信和網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

該研究于周三發(fā)表在《自然》雜志上。它代表了一種將量子信息從量子計(jì)算機(jī)使用的格式轉(zhuǎn)換為量子通信所需格式的新方法。

光子(光的粒子)對(duì)于量子信息技術(shù)至關(guān)重要，但不同的技術(shù)以不同的頻率使用它們。例如，一些最常見的量子計(jì)算技術(shù)基于超導(dǎo)量子位，例如科技巨頭谷歌和IBM使用的技術(shù);這些量子位將量子信息存儲(chǔ)在以微波頻率移動(dòng)的光子中。

但是如果你想建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，或者連接量子計(jì)算機(jī)，你就不能發(fā)送微波光子，因?yàn)樗鼈儗?duì)量子信息的控制太弱，無(wú)法在旅途中幸存下來(lái)。

“我們用于傳統(tǒng)通信的許多技術(shù)——手機(jī)、Wi-Fi、GPS和類似的東西——都使用光的微波頻率，”芝加哥大學(xué)詹姆斯弗蘭克研究所的博士后AishwaryaKumar說(shuō)。該論文的主要作者。“但你不能為量子通信做到這一點(diǎn)，因?yàn)槟阈枰牧孔有畔⒋嬖谟趩蝹€(gè)光子中。在微波頻率下，這些信息將被熱噪聲所掩蓋。”

解決方案是將量子信息轉(zhuǎn)移到更高頻率的光子，稱為光學(xué)光子，它對(duì)環(huán)境噪聲的抵抗力要強(qiáng)得多。但是信息不能直接從一個(gè)光子傳遞到另一個(gè)光子;相反，我們需要中介。一些實(shí)驗(yàn)為此目的設(shè)計(jì)了固態(tài)設(shè)備，但Kumar的實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是更基本的東西：原子。

原子中的電子只允許具有特定數(shù)量的能量，稱為能級(jí)。如果一個(gè)電子處于較低的能級(jí)，它可以通過(guò)用能量與高能級(jí)和低能級(jí)之間的差異完全匹配的光子撞擊它來(lái)激發(fā)到更高的能級(jí)。類似地，當(dāng)一個(gè)電子被迫下降到一個(gè)較低的能級(jí)時(shí)，原子就會(huì)發(fā)射一個(gè)光子，其能量與能級(jí)之間的能量差相匹配。

銣的電子能級(jí)圖。兩個(gè)能級(jí)間隙分別與光學(xué)光子和微波光子的頻率相匹配。激光用于迫使電子跳到更高的水平或下降到更低的水平。圖片來(lái)源：艾西瓦婭·庫(kù)馬爾

銣原子恰好在Kumar的技術(shù)所利用的能級(jí)上有兩個(gè)缺口：一個(gè)恰好等于微波光子的能量，一個(gè)恰好等于光學(xué)光子的能量。通過(guò)使用激光上下移動(dòng)原子的電子能量，該技術(shù)允許原子吸收帶有量子信息的微波光子，然后發(fā)射帶有該量子信息的光學(xué)光子。這種不同模式的量子信息之間的轉(zhuǎn)換稱為“轉(zhuǎn)導(dǎo)”。

科學(xué)家在操縱此類小物體方面取得的重大進(jìn)展使有效地使用原子達(dá)到此目的成為可能。“我們作為一個(gè)社區(qū)在過(guò)去20或30年里建立了非凡的技術(shù)，使我們能夠基本上控制與原子有關(guān)的一切，”庫(kù)馬爾說(shuō)。“所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)是非?？煽睾陀行У摹?rdquo;

他說(shuō)，他們成功的另一個(gè)秘訣是該領(lǐng)域在腔量子電動(dòng)力學(xué)方面的進(jìn)展，光子被困在超導(dǎo)反射室中。超導(dǎo)腔迫使光子在封閉空間內(nèi)反彈，從而加強(qiáng)了光子與放置在其中的任何物質(zhì)之間的相互作用。

他們的房間看起來(lái)并不封閉——事實(shí)上，它更像是一塊瑞士奶酪。但看起來(lái)像洞的東西實(shí)際上是隧道，它們以非常特定的幾何形狀相交，因此光子或原子可以被困在相交處。這是一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)，它還允許研究人員進(jìn)入腔室，以便他們可以注入原子和光子。

該技術(shù)有兩種作用：它可以將量子信息從微波光子轉(zhuǎn)移到光學(xué)光子，反之亦然。因此它可以位于兩臺(tái)超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算機(jī)之間長(zhǎng)距離連接的任一側(cè)，并作為量子互聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)建塊。

但Kumar認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可能有更多的應(yīng)用，而不僅僅是量子網(wǎng)絡(luò)。它的核心能力是強(qiáng)糾纏原子和光子——這是該領(lǐng)域許多不同量子技術(shù)??中一項(xiàng)必不可少且艱巨的任務(wù)。

“我們真正感到興奮的一件事是這個(gè)平臺(tái)能夠產(chǎn)生真正有效的糾纏，”他說(shuō)。“糾纏是我們關(guān)心的幾乎所有量子的核心，從計(jì)算到模擬再到計(jì)量學(xué)和原子鐘。我很高興看到我們還能做些什么。”

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