研究提出一种新的、高效的量子信息载体转换器
发布时间：2023-05-26 08:00:00 阅读数： 21
Michal Karpinski博士使用标准菲涅尔透镜获得的图像（照片：Miroslaw Kazmierczak，来源：华沙大学）。资料来源：米罗斯瓦夫-卡兹米扎克
光是信息的一个关键载体。它使高速数据通过光纤电信网络传输到世界各地。这种信息携带能力可以通过将其编码在单个光粒子（光子）中而扩展到传输量子信息。
"华沙大学物理系量子光子实验室负责人、《自然-光子学》杂志论文作者米哈乌-卡尔平斯基博士解释说："为了有效地将单光子载入量子信息处理设备，它们必须具有特定的属性：合适的中心波长或频率、合适的持续时间和合适的光谱。
全球的研究人员正在使用各种技术建造量子计算机的原型，包括被困的离子、量子点、超导电路和超冷原子云。这些量子信息处理平台在不同的时间尺度上运行，从皮秒到纳秒，甚至微秒。
时间透镜
为了将这些设备连接在一起以创建一个量子网络，需要一个接口来改变传输的量子脉冲光（单光子）的特性。早在2016年，来自华沙大学的研究人员和国际合作者已经在《自然-光子学》杂志上介绍了这样一个转换器的原型。
"Michal Karpinski博士澄清说："那里提出的装置允许单光子脉冲的持续时间有六倍的变化，效率超过30%。他补充说，他的团队当时使用的技术--简单的电光调制--有技术限制，允许脉冲持续时间的最大变化为10倍。
"在我们的新出版物中，我们提出了一种转换器，允许脉冲持续时间有高达200倍的变化，效率为25%。这意味着由此产生的量子互联网链接的运行速度可以提高50倍，"卡尔平斯基博士说。
华盛顿大学物理系研究人员开发的新技术的关键因素是一个所谓的时间透镜。
"一个经典的空间透镜，也就是我们通常所熟悉的那种，可以改变一束光的大小，或者聚焦它，或者发散它。例如，光可以通过使用凸透镜来聚焦--在凸透镜中，透镜玻璃的厚度随着与中心的距离增加而减少。根据类似的原理，时间透镜可以缩短或延长光脉冲，但在这里，玻璃的有效光学厚度在时间上发生变化，而不是在空间上，"负责开发该实验的量子光子学实验室的Filip Sosnicki博士解释说。
"为了使用空间透镜聚焦一束宽的光，它必须足够大。但这将使透镜高度凸起，大大增加了制造透镜所需的玻璃数量，从而也增加了重量。为了避免这种情况，我们可以使用菲涅尔透镜，其特定的形状将这种透镜的厚度减少到只有几毫米或更少，"Sosnicki博士解释。
由于其厚度小得多，菲涅尔透镜被用于各种应用，包括汽车头灯、灯塔、铁路信号，甚至智能手机摄像头。"在我们的研究中，我们开发了一个相当于这种透镜的时间透镜，我们称之为菲涅尔时间透镜，"Sosnicki博士继续指出。
不破坏透镜的强烈效果
为了创造一个时间透镜，研究人员利用了一些晶体所表现出的电光效应。它允许晶体（在这种情况下，铌酸锂）的折射率被改变，取决于施加在它身上的外部电场的变化。使用快速电信号，有可能实现晶体的时间变化的光学厚度，然后实现时间透镜。
"这种效果有其局限性，因为过高的电场会破坏晶体。在我们开发的技术中，我们分阶段增加折射率，类似于空间菲涅尔透镜。这样，我们在不破坏透镜的情况下实现了强烈的效果，这反过来又允许对量子光脉冲进行更广泛的修改，"卡尔平斯基博士解释说。
这样的 "阶段性 "操作需要使用超快的微波电子设备。"作为比较--高速Wi-Fi或5G网络在大约3至5GHz的频段上运行，而我们的信号要快7倍以上，频率高达35GHz，"索斯尼基博士补充说。
在进一步的研究中，来自华盛顿大学物理学院的科学家们将测试不同类型的量子信息处理平台之间的接口，并增加光子传输距离。"到目前为止，我们一直在一个实验室的设备之间传输单光子。接下来，我们将尝试在不同的建筑物甚至城市之间进行这种传输，"Michal Karpinski博士补充道。
米哈尔-卡尔平斯基博士的研究小组开展的工作是在创建量子网络的道路上迈出的重要一步--既包括小型的量子网络，可用于单个量子计算机；也包括大型的量子网络，可在世界不同地区的量子计算机之间进行量子信息传输，从而产生了量子互联网。
参考资料：Filip Sośnicki, Interface between picosecond and nanosecond quantum light pulses, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01214-z. www.nature.com/articles/s41566-023-01214-z
