基于芯片的光子量子比特頻率轉換

　　美國的工程師們開(kāi)發(fā)了一種芯片，可以將可見(jiàn)光轉換成紅外光并且可以轉換回來(lái)，同時(shí)保持原來(lái)的光子的量子狀態(tài)。這種能力將允許量子設備通過(guò)現有的光纖基礎設施傳輸信息給對方。研究人員說(shuō)，這是實(shí)現一個(gè)可以交換信息的量子網(wǎng)絡(luò )的設備和計算機的一個(gè)重要的一步。

　　十多年來(lái)，研究人員一直在開(kāi)發(fā)相應技術(shù)，以構建一個(gè)可以在長(cháng)距離內傳輸量子信息的量子設備網(wǎng)絡(luò )。這些量子器件的例子包括在超冷氣體中的銣原子和氮空位中心原子。在這些系統中，信心會(huì )保存在單個(gè)粒子的物理態(tài)中，即被稱(chēng)為量子比特和量子位。就像一個(gè)經(jīng)典電路中的晶體管，這些量子比特能夠進(jìn)行計算。此外，量子信息可以在固定比特位之間利用這些作為“飛行的比特單元”的光子進(jìn)行交換。

　　一個(gè)重要的挑戰是如何把一個(gè)量子設備的輸出端接到另一個(gè)，唐洪說(shuō)，他是耶魯大學(xué)的一名電氣工程師，并參與了這項研究工作。當兩個(gè)量子器件是基于兩個(gè)不同的物理系統時(shí)，它們的輸出光子是不在相同的頻率上的。“不幸的是，大多數量子設備運行在不同的頻率，并沒(méi)有真正能夠相互交流，”他說(shuō)。

　　不同頻率的光

　　即使設備是基于相同的物理系統之上，但當量子信息必須通過(guò)長(cháng)距離進(jìn)行傳輸時(shí)也會(huì )遇到麻煩。其中的一個(gè)問(wèn)題是，光纖網(wǎng)絡(luò )設計的目的是發(fā)射紅外線(xiàn)，而一些量子比特操作是在可見(jiàn)光頻率范圍內的。

　　新的芯片使兩個(gè)設備運行在不同的頻率，通過(guò)使用現有的紅外光纖基礎設施進(jìn)行長(cháng)距離傳輸交換信息。例如，如果一個(gè)基于銣原子的裝置發(fā)出的可見(jiàn)光子，光子芯片將此可將光轉換到紅外線(xiàn)的頻率，然后可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò )傳輸組成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。然后，連接到第二量子裝置的芯片可以接收這種紅外光并轉換成系統可識別的可見(jiàn)光。

　　唐的團隊是第一個(gè)在芯片上實(shí)現這種精確的頻率轉換的。與以前的方法不同的是，這些芯片可以廉價(jià)地進(jìn)行大量的生產(chǎn)制造。

　　非線(xiàn)性環(huán)

　　通過(guò)一個(gè)由氮化鋁制成的芯片上的一個(gè)小的半導體環(huán)進(jìn)行頻率的轉換。通過(guò)光的非線(xiàn)性效應，這個(gè)環(huán)能夠產(chǎn)生不同的光的頻率。唐的團隊通過(guò)波導將紅外光和可見(jiàn)光激光引導進(jìn)入環(huán)中。他們表明，通過(guò)一種稱(chēng)為“差頻”的方法，可在不同的頻率創(chuàng )建一個(gè)紅外信號。當他們發(fā)射兩個(gè)紅外光束，他們表明，可見(jiàn)光可以通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為“倍頻”的過(guò)程產(chǎn)生。

　　“這是一個(gè)重要的第一步，” 華盛頓大學(xué)的Arka Majumdar說(shuō)，他沒(méi)有參與該研究。他也正在進(jìn)行一個(gè)未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò )基礎設施相關(guān)組成設備的研究。“這種芯片就像一個(gè)經(jīng)典電路中的電線(xiàn)，”他解釋說(shuō)。

　　下一步，唐說(shuō)，是為了提高芯片的頻率轉換效率。在論文中，他們報告了14%的效率。但這是由于糟糕的鏈接，唐說(shuō)。在未來(lái)的實(shí)驗中，他們將旨在提高轉換效率高達100%，他們已經(jīng)證明了半導體能夠實(shí)現這一點(diǎn)。

　　單光子

　　Majumdar指出，唐和他的同事們已經(jīng)證明他們的這種芯片能有效地轉換單一的可見(jiàn)光。但他還有很高的希望：“在10年內，我認為我們將能夠真正實(shí)現兩個(gè)量子系統之間的溝通，”他說(shuō)。

　　這種芯片結構的相關(guān)論文已發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。