量子数据转换提供了一条扩大量子技术架构的途径
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 125
量子信息从一个编码到另一个编码的转换的艺术图示。资料来源：Andrea Holzner - Kastler Brossel实验室
巴黎Kastler Brossel实验室的研究人员成功地在两种不同类型的量子比特编码之间建立了第一个转换器--相当于经典信息的转换器，但针对不同类型的量子数据。这种高质量的信息重写为弥合在量子计算竞赛中竞争的许多不同平台之间的差距指明了方向，并可能实现未来网络的互连性。
在2月的《自然-光子学》在线期刊中，Julien Laurat教授和他在LKB（索邦大学、法国国家科学研究中心、ENS-大学PSL、法兰西学院）的同事报告了首次成功演示的忠实的量子比特-编码转换。量子领域实现了两种不同的信息存储和处理方式，即离散变量和连续变量。
与经典的模拟或数字信息编码类似，它们在某些任务和平台上是首选。LKB的研究人员已经找到了将一种非常不同的量子信息口味转化为另一种的方法，从而证实了不同量子设备互联的可能性。
在量子计算的竞赛中，现在正在开发许多平台，依靠不同的量子系统，如光子、中性原子、离子、超导体和半导体。对于所有这些系统，存在几种类型的编码，而对它的选择取决于具体的应用和可用的资源。解决量子网络中的这种异质性是一个紧迫的问题。它将允许整合每一种的最佳特征，以获得更强大和高效的网络。
在量子网络发展的早期解决异质性问题可以防止兼容性问题，并允许未来不同量子系统的无缝集成和互连。这项任务要求使用量子编码转换器，这种设备可以保留脆弱的编码量子信息信号，同时改变其写入的基础。
量子比特转换是一个复杂的挑战。创建转换器的直接方法是测量存储在一个编码中的信息，并将这些信息重新创建为另一个编码。不幸的是，量子力学，以及所谓的无克隆定理，不允许对任意信息进行这种操作。
在某种程度上，这种不便是一种变相的祝福，因为量子密码学的力量就来自于此。尽管如此，这迫使LKB的团队采取另一条路线，以创建一个转换器：使用量子纠缠。
纠缠描述了量子系统之间的非经典关联。它被爱因斯坦描述为 "远距离的幽灵作用"。这个幽灵行动一开始在社会上引发了许多混乱，现在是量子研究界许多提案的支柱。它是今年2022年诺贝尔物理学奖的主角，也是当前量子革命的核心所在。
"事实上，第二次量子革命，也被称为量子技术时代，是由在量子层面利用和控制纠缠的能力驱动的。创造、操纵和分配纠缠的能力为许多新的应用和技术打开了大门，而这些应用和技术仅靠经典系统是无法实现的，"该研究的第一作者、现为量子创业公司Welinq的首席执行官和联合创始人Tom Darras表示。
量子比特转换器的实施可以分为三个主要步骤。首先，必须创建关键资源--纠缠。其次，输入量子比特被发送到转换器。最后，必须进行一个特殊的测量，称为 "钟态测量"，从而将输入信息传送到输出量子比特。在这个过程中，与其他远程传输协议形成强烈对比的是，该量子比特已经被改写成另一个基础。
为了创造所有的资源状态，巴黎的研究人员使用了高效的非线性光源，称为光参量振荡器，在预示事件发生时输出高纯度的单光子或光猫状态，这取决于所选晶体。他们还依靠高效率的超导单光子探测器。
为了成功，这个过程需要一种非常特殊的资源光学纠缠，即所谓的离散变量量子比特和连续变量薛定谔猫量子比特之间的 "混合纠缠态"。为了能够进行贝尔态测量，混合纠缠的单光子部分被制成与输入量子比特的干扰，然后进行升压单光子检测。为了验证，输出量子比特被称为 "量子断层扫描"，以计算输入和输出量子比特之间的保真度，这是一种评估过程质量的典型方法。对于任何输入量子比特来说，高于经典极限的转换都被证实。
"这个过程的成功是量子技术基础设施的一个重要里程碑。一旦我们能够将量子设备互连，就可以建立更加复杂和高效的网络。" LKB的博士生、该论文的主要作者之一Beate Asenbeck说。"以十年前的技术，这项任务几乎是不可能的，想想都觉得不可思议。看到推进我们对量子领域的基本理解正在推动我们的技术边界，这是一个非常令人兴奋的时刻。"
更多信息：Tom Darras et al, A quantum-bit encoding converter, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01117-5
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