光子驱动量子突破，让通信稳定如“飞”！

光子盒研究院

德国康斯坦茨大学的两位物理学家最近在量子计算领域取得了重大进展，他们正在开发一种新方法，旨在量子计算机中实现稳定的信息交换。

这项创新性研究成果已在2024年2月的《物理评论研究》杂志上发表，文章详细阐述了这种方法的复杂工作机制。通过他们的工作，量子计算机的信息处理能力有望得到显著提升。

量子计算机被普遍视为信息技术领域的下一次革命性飞跃。这类计算机拥有解决当前传统计算机难以或需要大量时间才能处理的复杂计算问题的潜力。全球的研究团队正竭尽全力将量子计算机的概念转化为现实，但这项任务充满挑战。

尤其是，量子计算机的核心部件——量子比特，非常不稳定。

量子比特中的一种是由单个电子的自旋（一种原子级的固有角动量）构成的，维持这样脆弱的系统的稳定性已经是一大挑战，更不用说将多个量子比特连接起来了。问题在于，如何才能在量子比特之间实现稳定的信息交换？

在这一领域取得显著进展的是贝内迪克特·蒂索（Benedikt Tissot）和圭多·布卡德（Guido Burkard）。他们采用了一种创新方法，利用光子作为信使，在量子比特间顺畅地传递信息。通过这种技术，他们有望克服量子计算机中的重大障碍，为这个领域带来重要突破。

蒂索和布卡德通过建立了一个创新的理论模型，展示了如何使用光子这一“量子信使”，来实现量子比特间的有效信息交换。

受激拉曼发射器的物理系统图（a）和能级图（b）

这一过程中，电子自旋状态——即物质量子比特的信息内容，被转化为“飞行量子比特”（flying qubit），亦即光子。光子是电磁辐射场的基本单位，也被称为“光量子”。

飞行量子比特是在空间自由移动的量子比特，被认为对量子计算和量子通信系统的发展至关重要。作者提出了一种塑造这些量子比特的高效、高保真方法，可显著提高量子系统的性能。

这一模型的关键特点在于使用受激拉曼发射技术，将量子比特的信息转换成光子，从而实现对光子的精确控制。布卡德指出：“我们的方法是一个范式的转变，我们不仅优化了光子产生过程的控制，而且还精细调整了飞行量子比特中光脉冲的时间形态。”

蒂索将这一机制与互联网的工作原理做了类比：“在传统计算机中，比特是以电子形式在芯片上编码的。远距离传输信息时，这些比特会被转换成光信号，并通过光纤传送。量子计算机中量子比特之间的信息交换原理与此相似。在这里，信息也需要被转换成易于传输的状态，而光子就是实现这一目的的理想选择。”蒂索解释说。

蒂索和布卡德的研究专注于利用受激拉曼发射这一成熟技术，以高度受控的方式将量子比特转化为光子。这种方法的创新之处在于，不仅仅是产生光子，而是对光脉冲的形状进行精确调整，类似于使用光代替电线来实现远距离信息传输。在传统计算机中，电子用于信息传输；而在量子计算机中，量子比特则被转换成易于传输的光子形式。

他们开发了一种多级控制光子的系统，能够精确调节信息的流动方式、时间和地点。虽然受激拉曼发射技术已久经考验，但将其应用于直接传输量子比特状态则是一项创新。关键在于不仅要发送信息，而且要确保其精准无误。

蒂索解释道：“我们需要考虑信息流动的方向、时间、速度和地点等多个方面。这就是为什么我们需要一个能够实现高度控制的系统。”

使用 (a) 辅助（如核自旋）比特或 (b) 辅助态发射time-bin量子比特

优化脉冲形状以获得最大最坏情况保真度的结果

尽管受激拉曼发射是物理学中的一种成熟方法，但用它来直接传输量子比特状态仍然是一个非常新颖的尝试。这种新方法可能有助于平衡环境干扰的影响和光脉冲时间形状快速变化所带来的副作用，从而实现更精确的信息传输。

这项研究为计算机的新时代铺平了道路，一个量子比特之间的信息交换不仅成为可能，而且能够高效且可靠的时代。

参考链接：

[1]https://www.openaccessgovernment.org/the-power-of-photons-a-quantum-leap-in-computing/174565/

[2]https://www.uni-konstanz.de/en/university/news-and-media/current-announcements/news-in-detail/quantenbits-zum-fliegen-bringen/

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240306150647.htm

[4]https://quantumzeitgeist.com/researchers-uncover-new-path-to-optimizing-matter-to-photon-qubit-conversion/‍