华沙大学开发了一种新型高效技术，可使量子信息传输速度提高数十倍
华沙大学物理学院的研究人员开发出一种新型高效技术，可使量子信息传输速度提高数十倍。这项研究结果发表在《自然光子学》杂志上，可能会在不久的将来为超高速量子互联网连接的发展做出贡献。光是信息的重要载体。它能够通过光纤通信网络在世界各地进行高速数据传输。这种信息携带能力可以扩展到通过将量子信息编码为单个光子来传输量子信息。华沙大学物理学院量子光子实验室负责人Michal Karpinski博士解释道：“为了有效地将单个光子加载到量子信息处理设备中，它们必须具有特定的特性：正确的中心波长或频率、合适的持续时间和正确的光谱”。全球各地的研究人员正在使用各种技术构建量子计算机的原型，包括：捕获离子、量子点、超导电路和超冷原子云。这些量子信息处理平台在各种时间尺度上运行：从皮秒到纳秒，甚至微秒。为了将这些设备连接在一起以创建量子网络，需要一个接口来改变光的传输量子脉冲（即单光子）的特性。早在2016年，华沙大学的研究人员和国际合作者就已经在《自然光子学》杂志上展示了这种转换器的原型。Michal Karpinski博士澄清道：“那里展示的设备允许单光子脉冲持续时间的六倍变化，效率超过30%。”。他补充说，他的团队当时使用有技术限制的简单电光调制，允许脉冲持续时间最大变化十倍。Karpinski博士说：“在我们的新出版物中，我们提出了一种转换器，它可以使脉冲持续时间改变200倍，效率达到25%。这意味着由此产生的量子互联网链路的运行速度可以快50倍”。华沙大学物理学院的研究人员开发的这项新技术的关键元素是所谓的时间透镜。负责开发该实验的量子光子实验室的Filip Sosnicki博士解释道：“我们通常熟悉的那种经典的空间透镜会改变光束的大小，要么聚焦，要么发散。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距离的增加而减小。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会随着时间而变化，而不是随着空间而变化”。Sosnicki博士解释道：“要使用空间透镜聚焦宽光束，它必须足够大。但这会使透镜高度凸起，显著增加制造所需玻璃的数量，从而增加玻璃的重量。为了避免这种情况，我们可以使用菲涅耳透镜，其特定形状将这种透镜的厚度减少到几毫米或更小。由于厚度小得多，菲涅耳透镜被用于各种应用，包括汽车前灯、灯塔、铁路信号灯，甚至智能手机摄像头。在我们的研究中，我们开发了一种与这种透镜在时间上等效的透镜，我们称之为菲涅耳时间透镜”。为了制造时间透镜，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（在这种情况下是铌酸锂）的折射率，这取决于施加到它的外部电场的变化。使用快速电信号，可以实现晶体的时变光学厚度，从而实现时间透镜。Karpinski博士解释道：“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，我们分阶段提高折射率，类似于空间菲涅耳透镜。这样，我们在不破坏透镜的情况下实现了强效果，这反过来又允许对量子光脉冲进行更广泛的修改。这种分阶段操作需要使用超快微波电子器件。相比之下，高速Wi-Fi或5G网络的工作频带约为3GHz至5GHz，而我们的信号速度快7倍多，频率高达35GHz”。在进一步的研究中，华沙大学物理学院的科学家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。Michal Karpinski博士补充道：“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甚至城市之间进行这种传输”。Michal Karpinski博士团队的工作是创建量子网络的重要一步——既有可以在单个量子计算机中使用的小型网络，也有可以在世界不同地区的量子计算机之间传输量子信息的大型网络，从而产生量子互联网。这项研究于5月25日发表在《自然光子学》期刊上。DOI：10.1038/s41566-023-01214-z