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，對量子計算、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算機使用的格式轉(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在以微波頻率移動的光子中。
但是如果你想建立一個量子網(wǎng)絡(luò)，或者連接量子計算機，你就不能發(fā)送微波光子，因為它們對量子信息的控制太弱，無法在旅途中幸存下來。
“我們用于傳統(tǒng)通信的許多技術(shù)——手機、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。該論文的主要作者。“但你不能為量子通信做到這一點，因為你需要的量子信息存在于單個光子中。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，它對環(huán)境噪聲的抵抗力要強得多。但是信息不能直接從一個光子傳遞到另一個光子;相反，我們需要中介。一些實驗為此目的設(shè)計了固態(tài)設(shè)備，但Kumar的實驗針對的是更基本的東西：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。如果一個電子處于較低的能級，它可以通過用能量與高能級和低能級之間的差異完全匹配的光子撞擊它來激發(fā)到更高的能級。類似地，當(dāng)一個電子被迫下降到一個較低的能級時，原子就會發(fā)射一個光子，其能量與能級之間的能量差相匹配。
銣的電子能級圖。兩個能級間隙分別與光學(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。圖片來源：艾西瓦婭·庫馬爾
銣原子恰好在Kumar的技術(shù)所利用的能級上有兩個缺口：一個恰好等于微波光子的能量，一個恰好等于光學(xué)光子的能量。通過使用激光上下移動原子的電子能量，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。“我們作為一個社區(qū)在過去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，”庫馬爾說。“所以這個實驗是非?？煽睾陀行У?。”
他說，他們成功的另一個秘訣是該領(lǐng)域在腔量子電動力學(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。
他們的房間看起來并不封閉——事實上，它更像是一塊瑞士奶酪。但看起來像洞的東西實際上是隧道，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。這是一個巧妙的設(shè)計，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超導(dǎo)量子比特量子計算機之間長距離連接的任一側(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平臺能夠產(chǎn)生真正有效的糾纏，”他說。“糾纏是我們關(guān)心的幾乎所有量子的核心，從計算到模擬再到計量學(xué)和原子鐘。我很高興看到我們還能做些什么。”
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