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量子网络高效调制解调器获突破

现代计算机需要调制解调器(modem)接入互联网,将来的量子计算机也需要量子调制解调器,把世界各地的量子计算机接入互联网。马普所(Max Planck Institute)的一份研究最近获得首个突破,设计出一种既简单又高效的连接技术,最明显的优势是,这种量子调制解调器可以集成接入现有的光纤网络。

量子网络高效调制解调器获突破

量子网络高效调制解调器示意图。(Christoph Hohmann/MCQST)量子调制解调器需要合适的接口才能处理极其敏感的量子信息,也是现在设计面临的巨大挑战。他们必须保证“本地量子比特”和“传输中的量子比特”可以有效地互动,在长距离传输过程中不会破坏量子信息。广告“本地量子比特”指的是位于本地量子计算机的量子信息,比如位于内存中或是量子计算机的处理器内的信息。“传输中的量子比特”现在一般使用光子实现,作为传输信息的载体,通过光纤网络或在真空中传输。量子调制解调器就是为“本地量子比特”和“传输中的量子比特”建立连接的设备。

量子比特之间精细的连接研究称,为了建立这种连接,调制解调器发送或接收的量子信息载体——光子,必须与用于通讯的红外激光波长精确地匹配。这意味着“调制解调器内必须有静止的量子比特,能够以量子跃迁的方式精确地与这些红外光子互动。”这份研究展示,铒元素很适合承担这项任务。它的电子可以精确的实现所需的量子跃迁。可是困难在于,铒原子很难发生量子跃迁。因此研究人员想到,把铒原子和红外光子锁在一个合适的空间内,维持尽可能长的时间,迫使它们有足够的机会互动从而发生反应。研究员雷塞尔(Andreas Reiserer)说:“就像一个聚会,为了使客人互相之间最充分地互动,比如有十个客人的情况下,聚会所用的空间大小很重要。如果是一个足球场,那太大了,人都找不到了;如果是一个电话亭,又太小啦。一个会客室才正好。”然而,这个聚会将很快结束,因为这些光子以光速行动,很不稳定,总是要离开。于是研究人员把“会客室”设计成一个微型的、带镜子的“柜子”,再把铒原子装在透明的、很薄的硅酸钇复合物晶体内——只有一根头发五分之一的宽度。这个晶体就像三明治的夹心一样,被夹在两面镜子的中间。为了避免热量对原子造成的摆动而破坏量子信息,研究人员还得把整个元件冷却到零下271摄氏度。

镜柜内的光子犹如乒乓球被锁在这个镜柜里面的光子被镜子反射后就像乒乓球一样来回跳动,这大大增加了它们与铒原子互动的概率。研究人员称,这比没有使用镜子的情况效率提升了几乎六倍。由于镜子也有一定的透光性,因此这样的调制解调器可以接入现有的光纤网络。这也是研究人员认为这种技术最大的优势所在。雷塞尔说,他们对这项进展很满意。接下来,他们考虑改进实验,想办法让每个铒原子在与激光的互动中都可以作为量子比特的角色。这将使得装有铒原子的晶体变成一个量子处理器,这样的调制解调器将与量子计算机更加兼容。研究人员表示,如此简单的方案为构建“量子中继器”奠定了基础。量子中继器也是现在研究聚焦的领域之一。每间隔数百公里设置一个量子中继器,可有效补偿传输中的信息损耗。这份研究11月初发表在《物理评论X》(Physical Review X)期刊上。

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