Nat. Photonics.：新发现将为量子计算机提供网络接口

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发布时间：2023-10-07

QOT量子光学技术中心的一组科学家（包括一名来自华沙大学物理系的学生），制造出了一种能够在微波和光学光子之间转换量子信息的装置。

研究成果发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)上，强调了一种新的微波探测方法，可应用于量子技术、量子网络基础设施和微波射电天文学。

生活中，每当使用手机或电脑听一首歌时，都会发生一次信息转换——设备内存中的数字编码文件被转换成驱动耳机的电流。同样，我们也可以转换光子（光的最小量子）中编码的量子信息。

例如，我们可以将信息从单个微波光子传输到单个光学光子。然而，能够进行单光子操作的设备实现起来相当困难，因为它们需要非常精确，并引入极少的噪声。此外，光学光子的能量是微波光子的一万倍，而能够同时与这两种光子相互作用的介质却很少，这也是这项任务的挑战性所在。

尽管如此，量子信息的转换对于混合量子网络：连接不同量子设备（如量子计算机）的网络，仍然至关重要。量子计算可以通过微波光子与超导电路的相互作用来实现，但由于噪声的积累，以这种方式编码的量子信息的远距离传输是一个挑战。

然而，对于光子来说，这不再是一个问题，因为光子可以通过光纤有效地发送量子信息。因此，量子信息的微波-光学转换器可以成为量子网络适配器——量子计算机和量子互联网之间的接口，的重要组成部分。

实验中的室温MW光转换器

里德堡原子是一种既能与微波又能与光子相互作用的已知介质，它以约翰内斯·里德堡(Johannes Rydberg)的名字命名，约翰内斯·里德堡在19世纪初研究了光学光谱学，并提出了著名的里德堡公式。里德堡原子可以通过激光激发价电子产生，例如在铷原子中。

这将使原子的体积增大千倍，并获得许多有趣的特性，而这些特性正是整个科学界的热门研究课题。在这种情况下，重要的是要知道里德堡原子对微波辐射非常敏感。

迄今为止，只有在复杂的磁光捕获装置中捕获的激光冷却原子才能实现微波到光学的转换。华沙大学的科学家们首次证明，微波-光学转换可以在室温下，在玻璃池内的原子蒸汽中实现。

所提出的转换器设计明显更加简单，将来还可以进一步微型化；此外，新的转换方案显示出非常低的噪声水平，因此甚至可以对单光子进行操作。尽管新的转换器设置简单得多，但转换参数却出人意料地更好。

特别是，华大的这项发明可以不间断地工作，因为原子无需按照专门设计的时间顺序进行准备，而在其他研究小组的实验中，这可能会占用设备99%以上的工作时间。

具有57分贝动态范围的兆瓦到光学转换

单光子级中波热辐射的宽带转换

原子光共振促成了转换过程

华大的科学家们利用这种转换装置，首次在不使用微波天线或特殊低噪声放大器的情况下，实现了室温下的微波热辐射探测。为了达到热辐射水平，该装置必须对单光子敏感，但尽管如此，与其他标准微波装置相比，该转换器可以对强度高出一百万倍的微波辐射起作用，而且不会受到更强磁场的破坏。

飞速发展的量子技术使用各种信息载体。基于超导结的量子计算机以微波频率存储信息，而量子存储器则主要以光学光子为基础。与量子网络适配器类似，这两类设备之间的互联也需要一个能同时在微波和光学领域高效工作的接口——这里提出的解决方案就是里德堡原子。

在通过测量宇宙微波背景研究遥远天体特性或早期宇宙形状的天文观测中，单光子微波操作将非常重要。到目前为止，还无法测量微波光子中的量子信息，而微波到光学的转换可能会开创一个全新的微波射电天文学分支。

日常的大众传播也可以从微波探测的发现中获益。下一代移动技术将大量使用高频微波传输波段，而传统电路很难发射和探测这些波段。有朝一日，原子微波传感器可能会成为高速互联网连接的重要组成部分。

因此，量子光学技术中心(QOT)和世界各地的科研机构都在不断研究如何利用量子技术进行超灵敏微波探测。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-10-discovery-enable-network-interface-quantum.html

[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1003705

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