连接量子计算机的更简单方法

普林斯顿大学的研究人员创造了一种新方法，利用电信波段的光波长将量子计算机与高保真信号连接起来。图片来源：Sameer A. Khan/Fotobuddy 拍摄

研究人员找到了一种远距离连接量子设备的新方法，这是让量子技术在未来通信系统中发挥作用的必要一步。

今天的经典数据信号可以放大到整个城市或海洋，而量子信号却不能。它们必须被间隔重复，也就是被称为量子中继器的专门机器停止、复制和传递。许多专家认为，这些量子中继器将在未来的通信网络中发挥关键作用，可以增强安全性，并实现远程量子计算机之间的连接。

8 月 30 日，《自然》（Nature）杂志发表了普林斯顿大学的一项新研究，题为 "来自固态单个铒离子的可区分电信波段光子"，详细介绍了构建量子中继器新方法的基础。它通过植入晶体中的单个离子发出可用于电信的光。该研究的主要作者杰夫-汤普森（Jeff Thompson）表示，这项工作已经进行了多年。这项工作结合了光子设计和材料科学的进步。

其他领先的量子中继器设计发射的是可见光谱光，这种光在光纤中衰减很快，必须经过转换才能进行长距离传输。这种新设备基于植入主晶体中的单个稀土离子。由于这种离子以理想的红外波长发光，因此不需要这种信号转换，从而可以实现更简单、更强大的网络。

该设备由两部分组成：掺杂少量铒离子的钨酸钙晶体和蚀刻成 J 形通道的纳米硅片。在特殊激光的脉冲作用下，离子通过晶体向上发光。但硅片--贴在晶体顶部的半导体--会捕捉并引导单个光子进入光缆。

汤普森说，理想情况下，这种光子将被编码为来自离子的信息。更具体地说，信息来自离子的量子特性--自旋。在量子中继器中，收集和干扰来自遥远节点的信号将在它们的自旋之间产生纠缠，从而实现量子态的端到端传输，尽管途中会有损耗。

汤普森的团队几年前就开始使用铒离子，但最初的版本使用的是不同的晶体，存在太多噪音。特别是，这种噪声导致发射光子的频率在一个称为光谱扩散的过程中随机跳动。这阻碍了微妙的量子干涉，而量子干涉正是量子网络运行所必需的。

为了解决这个问题，他的实验室开始与电气与计算机工程系副教授 Nathalie de Leon 和著名固态材料科学家、普林斯顿大学罗素-韦尔曼-摩尔化学教授 Robert Cava 合作，探索能容纳噪音更小的单个铒离子的新材料。

他们将候选材料从数十万种筛选到几百种，然后是几十种，最后是三种。最终入围的三种材料，每一种都花了半年时间进行测试。第一种材料被证明不够清晰。第二种材料导致铒的量子特性不佳。但第三种材料，即钨酸钙，却恰到好处。

为了证明这种新材料适用于量子网络，研究人员建造了一个干涉仪，光子随机通过两条路径中的一条：一条是几英尺长的短路径，另一条是 22 英里长的长路径（由卷轴式光纤制成）。离子发出的光子可以走长路径，也可以走短路径，大约有一半的时间，连续的光子会走相反的路径，并同时到达输出端。

当这种碰撞发生时，量子干涉会使光子成对离开输出端，前提是它们从根本上无法区分--具有相同的形状和频率。否则，它们将各自离开干涉仪。

通过观察到干涉仪输出端对单个光子的强烈抑制（高达 80%），研究小组确凿地证明，新材料中的铒离子会发出不可区分的光子。共同领导这项研究的研究生萨利姆-乌拉里（Salim Ourari）认为，这使得信号远远超过了高保真阈值。

虽然这项工作跨越了一个重要的阈值，但还需要做更多的工作来提高铒离子自旋中量子态的存储时间。研究小组目前正致力于制造更精制的钨酸钙，减少干扰量子自旋态的杂质。

参考资料

Jeff Thompson, Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06281-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06281-4