量子網絡高效調製解調器獲突破

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【大紀元2020年11月23日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)現代計算機需要調製解調器(modem)接入互聯網,將來的量子計算機也需要量子調製解調器,把世界各地的量子計算機接入互聯網。馬普所(Max Planck Institute)的一份研究最近獲得首個突破,設計出一種既簡單又高效的連接技術,最明顯的優勢是,這種量子調製解調器可以集成接入現有的光纖網絡。

量子調製解調器需要合適的接口才能處理極其敏感的量子信息,也是現在設計面臨的巨大挑戰。他們必須保證「本地量子比特」和「傳輸中的量子比特」可以有效地互動,在長距離傳輸過程中不會破壞量子信息。

「本地量子比特」指的是位於本地量子計算機的量子信息,比如位於內存中或是量子計算機的處理器內的信息。「傳輸中的量子比特」現在一般使用光子實現,作為傳輸信息的載體,通過光纖網絡或在真空中傳輸。量子調製解調器就是為「本地量子比特」和「傳輸中的量子比特」建立連接的設備。

量子比特之間精細的連接

研究稱,為了建立這種連接,調製解調器發送或接收的量子信息載體——光子,必須與用於通訊的紅外激光波長精確地匹配。這意味著「調製解調器內必須有靜止的量子比特,能夠以量子躍遷的方式精確地與這些紅外光子互動。」

這份研究展示,鉺元素很適合承擔這項任務。它的電子可以精確的實現所需的量子躍遷。可是困難在於,鉺原子很難發生量子躍遷。因此研究人員想到,把鉺原子和紅外光子鎖在一個合適的空間內,維持盡可能長的時間,迫使它們有足夠的機會互動從而發生反應。

研究員雷塞爾(Andreas Reiserer)說:「就像一個聚會,為了使客人互相之間最充分地互動,比如有十個客人的情況下,聚會所用的空間大小很重要。如果是一個足球場,那太大了,人都找不到了;如果是一個電話亭,又太小啦。一個會客室才正好。」

然而,這個聚會將很快結束,因為這些光子以光速行動,很不穩定,總是要離開。

於是研究人員把「會客室」設計成一個微型的、帶鏡子的「櫃子」,再把鉺原子裝在透明的、很薄的硅酸釔複合物晶體內——只有一根頭髮五分之一的寬度。這個晶體就像三明治的夾心一樣,被夾在兩面鏡子的中間。為了避免熱量對原子造成的擺動而破壞量子信息,研究人員還得把整個元件冷卻到零下271攝氏度。

鏡櫃內的光子猶如乒乓球

被鎖在這個鏡櫃裡面的光子被鏡子反射後就像乒乓球一樣來回跳動,這大大增加了它們與鉺原子互動的機率。研究人員稱,這比沒有使用鏡子的情況效率提升了幾乎六倍。

由於鏡子也有一定的透光性,因此這樣的調製解調器可以接入現有的光纖網絡。這也是研究人員認為這種技術最大的優勢所在。

雷塞爾說,他們對這項進展很滿意。接下來,他們考慮改進實驗,想辦法讓每個鉺原子在與激光的互動中都可以作為量子比特的角色。這將使得裝有鉺原子的晶體變成一個量子處理器,這樣的調製解調器將與量子計算機更加兼容。

研究人員表示,如此簡單的方案為構建「量子中繼器」奠定了基礎。量子中繼器也是現在研究聚焦的領域之一。每間隔數百公里設置一個量子中繼器,可有效補償傳輸中的信息損耗。

這份研究11月初發表在《物理評論X》(Physical Review X)期刊上。◇

責任編輯:朱涵儒

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