华沙大学物理学院的研究人员创造了一种新型高效的量子信息载体转换器

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著名的《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。它可以通过光纤电信网络在全球范围内实现高速数据传输。这种信息携带能力可以扩展到通过将其编码在单个光粒子(即光子)中来传输量子信息。“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属性：正确的中心波长或频率、合适的持续时间和正确的光谱”，该学院量子光子学实验室负责人 Michał Karpinski 博士解释说华沙大学物理学博士，论文作者之一，发表在《Nature Photonics》上。

全球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：俘获离子、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。

时光镜头

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传输的光量子脉冲(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。“那里展示的设备允许单光子脉冲的持续时间发生六倍的变化，效率超过 30%，”Michal Karpinski 博士澄清道。他补充说，他的团队当时使用的技术——简单的电光调制——有技术限制，允许脉冲持续时间的最大十倍变化。“在我们的新出版物中，我们展示了一种转换器，它允许脉冲持续时间变化高达 200 倍，效率为 25%。

威斯康星大学物理学院的研究人员开发的这项新技术的关键要素是所谓的时间透镜。“经典的空间透镜，也就是我们通常熟悉的那种，会改变光束的大小，使其聚焦或发散。例如，可以使用凸透镜聚焦光线——其中透镜玻璃的厚度随着距其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，但这里玻璃的有效光学厚度随时间而不是空间发生变化，”量子光子学实验室的 Filip Sosnicki 博士解释说，他负责开发本实验。

“要使用空间透镜聚焦宽光束，光束必须足够大。但这会使透镜高度凸起，显着增加制造它所需的玻璃的数量，从而增加重量。为避免这种情况，我们可以使用菲涅耳透镜，其特定形状可将这种透镜的厚度减少到几毫米或更小，”Sosnicki 博士解释道。由于厚度小得多，菲涅尔透镜被用于各种应用，包括汽车前灯、灯塔、铁路信号，甚至智能手机摄像头。“在我们的研究中，我们开发了这种透镜的时间等效物，我们称之为菲涅耳时间透镜，”Sosnicki 博士继续指出。

不损镜头效果强

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。它允许改变晶体(在这种情况下为铌酸锂)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，可以实现随时间变化的晶体光学厚度，从而实现时间透镜。“这种效应有其局限性，因为过高的电场会破坏晶体。在我们开发的技术中，我们分阶段增加折射率，类似于空间菲涅耳透镜。通过这种方式，我们在不破坏透镜的情况下实现了强大的效果，这反过来又允许对量子光脉冲进行更广泛的修改，”Karpinski 博士解释道。这种“分阶段”操作需要使用超快微波电子设备。

在进一步的研究中，威斯康星大学物理学院的科学家们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。“到目前为止，我们一直在一个实验室的设备之间传输单个光子。接下来，我们将尝试在不同建筑物甚至城市之间进行此类转移，”Michal Karpinski 博士补充道。

Michal Karpinski 博士的团队开展的工作是在创建量子网络的道路上迈出的重要一步——既有可用于单个量子计算机的小型网络，也有可在不同部分的量子计算机之间实现量子信息传输的大型网络世界，从而产生了量子互联网。

该项目部分是在 First TEAM 计划(编号 POIR.04.04.00-00-5E00/18)和基金会的归巢计划(编号 POIR.04 .04.00-00-1E2B/16)下进行的Polish Science 在智能发展运营计划的框架内与来自欧洲区域发展基金的欧盟资金共同资助，部分原因是 QuantERA QuICHE 研究项目(编号 2019/32/Z/ST2/00018)和Preludium项目(编号2019/35/N/ST2/04434)，由国家科学中心资助。

华沙大学的物理学和天文学成立于 1816 年，是当时哲学系的一部分。1825年，天文台成立。目前，华沙大学物理学院由以下研究所组成：实验物理、理论物理、地球物理、数学方法系和天文台。这项研究几乎涵盖了现代物理学的所有领域，从量子到宇宙学。该学院的研究和教学人员包括 200 多名学术教师，其中 88 人是教授。大约有 1,100 名学生和 170 多名博士生在华沙大学物理系学习。