新实验在量子互联网的重要一步中在技术之间转换量子信息

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

该研究于周三发表在《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。

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

“我们用于传统通信的许多技术——手机、Wi-Fi、GPS和类似的东西——都使用光的微波频率，”芝加哥大学詹姆斯弗兰克研究所的博士后AishwaryaKumar说。论文的主要作者。“但你不能为量子通信做到这一点，因为你需要的量子信息存在于单个光子中。在微波频率下，这些信息将被热噪声所掩盖。”

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力要强得多。但是信息不能直接从一个光子传递到另一个光子;相反，我们需要中介。一些实验为此目的设计了固态设备，但Kumar的实验针对的是更基本的东西：原子。

原子中的电子只允许具有特定数量的能量，称为能级。如果一个电子处于较低的能级，它可以通过用能量与较高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。类似地，当一个电子被迫下降到一个较低的能级时，原子就会发射一个光子，其能量与能级之间的能量差相匹配。

铷的电子能级图。两个能级间隙分别与光学光子和微波光子的频率相匹配。激光用于迫使电子跳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

铷原子恰好在Kumar的技术所利用的能级中有两个缺口：一个恰好等于微波光子的能量，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带有量子信息的微波光子，然后发射带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地使用原子达到此目的成为可能。“我们作为一个社区在过去20或30年里建立了非凡的技术，使我们能够基本上控制与原子有关的一切，”库马尔说。“所以这个实验是非常可控和有效的。”

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，光子被困在超导反射室中。超导腔迫使光子在封闭空间内反弹，从而加强了光子与放置在其中的任何物质之间的相互作用。

他们的房间看起来并不封闭——事实上，它更像是一块瑞士奶酪。但看起来像洞的东西实际上是隧道，它们以非常特定的几何形状相交，因此光子或原子可以被困在相交处。这是一个巧妙的设计，它还允许研究人员进入腔室，以便他们可以注入原子和光子。

该技术有两种作用：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比特量子计算机之间长距离连接的任一侧，并作为量子互联网的基本构建块。

但Kumar认为，这项技术可能有更多的应用，而不仅仅是量子网络。它的核心能力是强纠缠原子和光子——这是该领域许多不同量子技术​​中一项必不可少且困难的任务。

“我们真正感到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学和原子钟。我很高兴看到我们还能做些什么。”