连接未来量子计算机到全球网络的新突破

 新闻资讯     |      2020-06-07 16:35

由代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)领导的研究人员在微波和光学领域的信号之间的量子态转换方面已经取得了两步进展。这对于将未来超导量子计算机连接到全球量子网络具有重大意义。本周他们在《自然》杂志上报道了他们的发现自然物理而在物理评论快报。

在微波和光学领域的信号之间的转换是非常有趣的,特别是对于连接未来的超导量子计算机到一个全球量子网络。量子技术的许多领先成果,包括超导量子位和量子点,都是通过微波体制下的光子来共享量子信息的。虽然这允许一个令人印象深刻的程度的量子控制,它也限制了信息在丢失之前可以实际旅行的距离只有几厘米。

与此同时,光量子通信领域已经看到了能够提供真实世界应用的距离尺度的演示。通过在光通信波段传输信息,可以设想基于光纤的量子网络可以覆盖数十公里甚至数百公里。代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)教授西蒙格罗布拉切(Simon Groeblacher)表示:“为了将几个量子计算节点在长距离上连接到一个量子互联网,因此能够将量子信息从微波转换到光学领域,然后再转换回来,是至关重要的。”他所在的团队领导了这两项研究。“这不仅对量子应用非常有趣,而且对经典光学和电信号之间的高效、低噪声转换也非常有趣。”

人们已经采用了几种有前途的方法来实现微波到光学转换器,例如试图通过一个机械系统(振荡器)来耦合信号。但到目前为止,它们都是在热噪声背景下运行的。该论文的两位主要作者之一Moritz Forsch解释说:“我们已经克服了这一限制,证明了GHz微波信号与光通信波段之间的相干转换具有最小的热背景噪声。”

为了达到这个目的,有必要将机械振荡器冷却到量子基态运动。低热占用形成了对机械状态的量子控制的基础。另一位主要作者Rob Stockill继续说:“我们使用集成的芯片上的光电机械设备,将表面声波由共振微波信号驱动到一个光学晶体。我们初始化了机械模式的量子基态,这使得我们可以在增加最少热噪声的情况下进行转换过程,同时保持映射到机械谐振腔的微波光子有效地向上转换为光学域。”

Groeblacher的团队最近在这一领域又向前迈进了一步,专注于新型压电材料的使用。这些因机械应力而产生电场的材料,对于不同载体之间的量子信息传递可能有很大的意义。机电耦合原则上允许在该材料的微波和光学频域之间转换量子态。因此,一种很有前途的方法是建立集成的压电光电机械装置,然后与微波电路耦合。

“我们设计并表征了这种由磷化镓制成的压电光机械装置,其中2.9 GHz的机械模式与电信波段的高质量因子光学谐振器耦合。”格罗布拉彻教授说,这种新材料的电子带隙很大,导致光学吸收很低,与用硅制造的设备相当,这让我们能够展示这种结构的量子行为。

该装置由磷化镓(GaP)制成,远远超过了目前在砷化镓或其他类似方法中使用的压电材料的成就。研究人员的下一步工作是在此参数范围内成功运行的间隙器件的基础上,进一步研究这种令人兴奋的材料的使用。考虑到电子带隙的宽度和GaP的压电特性,这些研究结果为新的量子实验打开了大门,也为使用这种设备进行单光子的微波到光学转换打开了大门。