基于芯片的光子量子比特頻率轉(zhuǎn)換

　　美國的工程師們開發(fā)了一種芯片，可以將可見光轉(zhuǎn)換成紅外光并且可以轉(zhuǎn)換回來，同時(shí)保持原來的光子的量子狀態(tài)。這種能力將允許量子設(shè)備通過現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施傳輸信息給對(duì)方。研究人員說，這是實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以交換信息的量子網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要的一步。

　　十多年來，研究人員一直在開發(fā)相應(yīng)技術(shù)，以構(gòu)建一個(gè)可以在長距離內(nèi)傳輸量子信息的量子設(shè)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(tǒng)中，信心會(huì)保存在單個(gè)粒子的物理態(tài)中，即被稱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(jì)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(zhàn)是如何把一個(gè)量子設(shè)備的輸出端接到另一個(gè)，唐洪說，他是耶魯大學(xué)的一名電氣工程師，并參與了這項(xiàng)研究工作。當(dāng)兩個(gè)量子器件是基于兩個(gè)不同的物理系統(tǒng)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(shù)量子設(shè)備運(yùn)行在不同的頻率，并沒有真正能夠相互交流，”他說。

　　不同頻率的光

　　即使設(shè)備是基于相同的物理系統(tǒng)之上，但當(dāng)量子信息必須通過長距離進(jìn)行傳輸時(shí)也會(huì)遇到麻煩。其中的一個(gè)問題是，光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目的是發(fā)射紅外線，而一些量子比特操作是在可見光頻率范圍內(nèi)的。

　　新的芯片使兩個(gè)設(shè)備運(yùn)行在不同的頻率，通過使用現(xiàn)有的紅外光纖基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行長距離傳輸交換信息。例如，如果一個(gè)基于銣原子的裝置發(fā)出的可見光子，光子芯片將此可將光轉(zhuǎn)換到紅外線的頻率，然后可以通過光纖網(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(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識(shí)別的可見光。

　　唐的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)在芯片上實(shí)現(xiàn)這種精確的頻率轉(zhuǎn)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。

　　非線性環(huán)

　　通過一個(gè)由氮化鋁制成的芯片上的一個(gè)小的半導(dǎo)體環(huán)進(jìn)行頻率的轉(zhuǎn)換。通過光的非線性效應(yīng)，這個(gè)環(huán)能夠產(chǎn)生不同的光的頻率。唐的團(tuán)隊(duì)通過波導(dǎo)將紅外光和可見光激光引導(dǎo)進(jìn)入環(huán)中。他們表明，通過一種稱為“差頻”的方法，可在不同的頻率創(chuàng)建一個(gè)紅外信號(hào)。當(dāng)他們發(fā)射兩個(gè)紅外光束，他們表明，可見光可以通過一個(gè)被稱為“倍頻”的過程產(chǎn)生。

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

　　下一步，唐說，是為了提高芯片的頻率轉(zhuǎn)換效率。在論文中，他們報(bào)告了14%的效率。但這是由于糟糕的鏈接，唐說。在未來的實(shí)驗(yàn)中，他們將旨在提高轉(zhuǎn)換效率高達(dá)100%，他們已經(jīng)證明了半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)換單一的可見光。但他還有很高的希望：“在10年內(nèi)，我認(rèn)為我們將能夠真正實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子系統(tǒng)之間的溝通，”他說。

　　這種芯片結(jié)構(gòu)的相關(guān)論文已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。