基于芯片的光子量子比特頻率轉換

　　美國的工程師們開發了一種芯片，可以將可見光轉換成紅外光并且可以轉換回來，同時保持原來的光子的量子狀態。這種能力將允許量子設備通過現有的光纖基礎設施傳輸信息給對方。研究人員說，這是實現一個可以交換信息的量子網絡的設備和計算機的一個重要的一步。

　　十多年來，研究人員一直在開發相應技術，以構建一個可以在長距離內傳輸量子信息的量子設備網絡。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，信心會保存在單個粒子的物理態中，即被稱為量子比特和量子位。就像一個經典電路中的晶體管，這些量子比特能夠進行計算。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”的光子進行交換。

　　一個重要的挑戰是如何把一個量子設備的輸出端接到另一個，唐洪說，他是耶魯大學的一名電氣工程師，并參與了這項研究工作。當兩個量子器件是基于兩個不同的物理系統時，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，并沒有真正能夠相互交流，”他說。

　　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長距離進行傳輸時也會遇到麻煩。其中的一個問題是，光纖網絡設計的目的是發射紅外線，而一些量子比特操作是在可見光頻率范圍內的。

　　新的芯片使兩個設備運行在不同的頻率，通過使用現有的紅外光纖基礎設施進行長距離傳輸交換信息。例如，如果一個基于銣原子的裝置發出的可見光子，光子芯片將此可將光轉換到紅外線的頻率，然后可以通過光纖網絡傳輸組成互聯網絡。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光。

　　唐的團隊是第一個在芯片上實現這種精確的頻率轉換的。與以前的方法不同的是，這些芯片可以廉價地進行大量的生產制造。

　　非線性環

　　通過一個由氮化鋁制成的芯片上的一個小的半導體環進行頻率的轉換。通過光的非線性效應，這個環能夠產生不同的光的頻率。唐的團隊通過波導將紅外光和可見光激光引導進入環中。他們表明，通過一種稱為“差頻”的方法，可在不同的頻率創建一個紅外信號。當他們發射兩個紅外光束，他們表明，可見光可以通過一個被稱為“倍頻”的過程產生。

　　“這是一個重要的第一步，” 華盛頓大學的Arka Majumdar說，他沒有參與該研究。他也正在進行一個未來的量子網絡基礎設施相關組成設備的研究。“這種芯片就像一個經典電路中的電線，”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。在未來的實驗中，他們將旨在提高轉換效率高達100%，他們已經證明了半導體能夠實現這一點。

　　單光子

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

　　這種芯片結構的相關論文已發表在《物理評論快報》雜志上。