物理学家开发了构建“量子互联网”的新方法

光子盒研究院出品

连接量子计算机的“量子互联网”承诺了一个具有前所未有的计算机安全和计算能力的世界。全球量子互联网的基石——包括基本的量子计算机、量子存储器和远程电信网络——已经存在。但最困难的技术挑战之一是将所有这些组件集成到一个设备中。

在一项最新的研究中，加拿大卡尔加里大学理学院的物理学家在一种新的方法中使用了纳米级的金刚石装置，将量子比特(存储为量子存储器的信息)与光子或光耦合。此外，该团队的定制设备使用了尽可能最佳波长的光，用于现有的长距离光纤连接。

该团队首次证明这种连接是由室温下的机械振动介导的。“我们已经证明，通过将一种机械谐振器放在光和量子比特之间，我们可以找到一种方法，让光与量子比特‘对话’。”该团队负责人、论文合著者、卡尔加里大学物理学和天文学系物理学教授Paul Barclay博士说。“我们的方法是以全新的方式解决这个问题的重要一步。”

Barclay补充道：“我们的方法简化了量子存储器和光之间的必要连接，这种方法不仅仅局限于我们的系统，而是适用于所有固态量子存储器。”

用于连接量子存储器和光的金刚石微盘。

该团队的论文《电信光子和自旋量子存储器之间的光力学接口》已于10月14日发表在《自然·物理学》杂志上。

该团队的工作为物理学的新方向(“自旋光力学”)打开了一扇门，该研究的合著者Denis Sukachev博士说道，他曾是卡尔加里大学的博士后，现在是哈佛大学的助理研究员。

Sukachev补充说，其他致力于构建量子网络的研究团队和公司将能够在他们不同的量子系统中使用这种方法。“这真的是一个新想法，以前没有人展示过它。”

哈佛大学应用物理学博士后Benjamin Pingault博士表示：“这项工作连接了两个已被证明很难连接的成熟领域。它还缓解了寻找完美自旋光子接口的需要，从而为量子网络设计中自旋量子比特的选择提供了更大的灵活性。”他没有参与这项研究。

Barclay指出，卡尔加里大学团队的新工作是十年来数百次实验的高潮，如果没有研究团队每个成员的贡献，这一切都不可能实现。

 Paul Barclay

2016年，Barclay的团队用单晶金刚石制造了第一个纳米级光学谐振腔，这也是一个机械谐振器。他们还测量了由光学腔内捕获的光能引起的高频、持久的机械振动。

2020年1月，该团队展示了他们可以将光编码的信息传输到他们的光力学金刚石装置的机械振动中。

该团队的第三个重大进展是能够利用设备内部的光驱动“声子”(机械振动)，将电信波长的光连接到电子自旋或量子存储器上。这项开始于四年前的工作，最终发表了这篇新论文。

该团队的金刚石装置就像一个“量子转导器”(quantum transducer)，将量子信息从一种形式转换成另一种形式，该研究的共同作者David Lake博士说道，他曾是Barclay团队的博士生，目前在加州理工学院工作。

 量子转导实验装置的最里面部分，其核心是金刚石芯片。

Lake补充说：“我们的工作展示了一个有前途的架构，它在未来有能力向标准电信链路扩展，并与现有技术连接。”

卡尔加里大学量子研究人员是国际公认的量子光子学的领导者。该领域涉及开发微米级和纳米级(大约是人类头发宽度的1/100)电路，用于传输和操纵包含量子比特信息的光。

通过该大学的量子科学与技术研究院及其与Quantum Alberta(加拿大阿尔伯塔省的一项投资计划)的合作，卡尔加里大学的研究人员正在帮助推动加拿大在量子领域的全球领先地位。今年3月，卡尔加里大学的量子科学团队和阿尔伯塔大学的纳米科学团队一起获得了加拿大创新基金会资助的520万加元。

卡尔加里大学将利用这笔资金在校园里建造一个纳米制造厂——加拿大第一家专注于金刚石光子学的工厂——用于生产大量更高效的光学机械金刚石装置。

今年6月，卡尔加里大学、阿尔伯塔省政府和领先的全球科技公司Mphasis宣布启动“量子城市”(Quantum City)倡议，预计将创造1000多个就业岗位，并使该省的经济发展多样化。

参考链接：

[1]https://science.ucalgary.ca/news/university-calgary-physicists-develop-novel-approach-building-quantum-internet

[2]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01364-3

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：