基于芯片的光子量子比特频率转换

　　美国的工程师们开发了一种芯片，可以将可见光转换成红外光并且可以转换回来，同时保持原来的光子的量子状态。这种能力将允许量子设备通过现有的光纤基础设施传输信息给对方。研究人员说，这是实现一个可以交换信息的量子网络的设备和计算机的一个重要的一步。

　　十多年来，研究人员一直在开发相应技术，以构建一个可以在长距离内传输量子信息的量子设备网络。这些量子器件的例子包括在超冷气体中的铷原子和氮空位中心原子。在这些系统中，信心会保存在单个粒子的物理态中，即被称为量子比特和量子位。就像一个经典电路中的晶体管，这些量子比特能够进行计算。此外，量子信息可以在固定比特位之间利用这些作为“飞行的比特单元”的光子进行交换。

　　一个重要的挑战是如何把一个量子设备的输出端接到另一个，唐洪说，他是耶鲁大学的一名电气工程师，并参与了这项研究工作。当两个量子器件是基于两个不同的物理系统时，它们的输出光子是不在相同的频率上的。“不幸的是，大多数量子设备运行在不同的频率，并没有真正能够相互交流，”他说。

　　不同频率的光

　　即使设备是基于相同的物理系统之上，但当量子信息必须通过长距离进行传输时也会遇到麻烦。其中的一个问题是，光纤网络设计的目的是发射红外线，而一些量子比特操作是在可见光频率范围内的。

　　新的芯片使两个设备运行在不同的频率，通过使用现有的红外光纤基础设施进行长距离传输交换信息。例如，如果一个基于铷原子的装置发出的可见光子，光子芯片将此可将光转换到红外线的频率，然后可以通过光纤网络传输组成互联网络。然后，连接到第二量子装置的芯片可以接收这种红外光并转换成系统可识别的可见光。

　　唐的团队是第一个在芯片上实现这种精确的频率转换的。与以前的方法不同的是，这些芯片可以廉价地进行大量的生产制造。

　　非线性环

　　通过一个由氮化铝制成的芯片上的一个小的半导体环进行频率的转换。通过光的非线性效应，这个环能够产生不同的光的频率。唐的团队通过波导将红外光和可见光激光引导进入环中。他们表明，通过一种称为“差频”的方法，可在不同的频率创建一个红外信号。当他们发射两个红外光束，他们表明，可见光可以通过一个被称为“倍频”的过程产生。

　　“这是一个重要的第一步，” 华盛顿大学的Arka Majumdar说，他没有参与该研究。他也正在进行一个未来的量子网络基础设施相关组成设备的研究。“这种芯片就像一个经典电路中的电线，”他解释说。

　　下一步，唐说，是为了提高芯片的频率转换效率。在论文中，他们报告了14%的效率。但这是由于糟糕的链接，唐说。在未来的实验中，他们将旨在提高转换效率高达100%，他们已经证明了半导体能够实现这一点。

　　单光子

　　Majumdar指出，唐和他的同事们已经证明他们的这种芯片能有效地转换单一的可见光。但他还有很高的希望：“在10年内，我认为我们将能够真正实现两个量子系统之间的沟通，”他说。

　　这种芯片结构的相关论文已发表在《物理评论快报》杂志上。