图 使用标准菲涅耳透镜获得的 Michal Karpinski 博士的图像
光是信息的主要载体，如今人们通过光纤通信网络实现了全球范围内的高速数据传输。这种信息携带能力可以扩展到通过在单个光粒子(光子)中编码来传输量子信息。世界各地的研究人员都在利用包括量子点、超导电路和超冷原子云在内的各种技术。这些量子信息处理平台在皮秒、纳秒甚至微秒等各种时间尺度上运行。
如果想要将这些设备连接在一起以创建量子网络，则需要一个接口来改变传输的量子光脉冲(单光子)的特性。早在 2016 年，华沙大学的研究人员就已经在Nature Photonics发表的论文中提到了这种转换器的原型。华沙大学物理系量子光子学实验室的负责人、论文作者之一的Micha? Karpinski博士表示，为了有效地将单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、合适的持续时间和光谱。他补充道，他们的设备可以将单光子脉冲的持续时间改变六倍，效率超过 30%。关键的是，他们当时所利用电光调制有技术限制，只能允许脉冲持续时间的最大10倍变化。
在最新的研究中，该团队提出了一种新型转换器，它允许脉冲持续时间变化高达 200 倍，效率为 25%。这意味着由此产生的量子互联网链路的运行速度可以提高 50 倍。该成果以“Interface between picosecond and nanosecond quantum light pulses”为题发表在Nature Photonics上( DOI: 10.1038/s41566-023-01214-z)。
这项新技术的关键之处在于时间透镜。“我们通常熟悉的经典空间透镜会改变光束的大小，要么聚焦，要么发散。例如，可以使用凸透镜来聚焦光，这种透镜的玻璃厚度随着离中心距离的增加而减小。通过类似的原理，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变化，而不是随空间变化”，负责该实验的Filip Sosnicki 博士解释道。
研究团队表示，如果想要利用空间透镜来聚焦宽光束，它必须足够大才可以。但这样会使透镜高度凸出，从而使得制造所需的玻璃数量显著增加，从而增加重量。为了避免这种情况，他们使用了菲涅耳透镜，其特定的形状将这种透镜的厚度减少到几毫米或更小。
由于其厚度小得多，菲涅尔透镜可用于多种应用，包括汽车前灯、铁路信号灯、甚至智能手机摄像头等。Sosnicki 博士指出，“在我们的研究中，新开发了一种与这种透镜等效的时间透镜，并将其称之为菲涅耳时间透镜”。
为了制造时间透镜，研究人员利用了晶体(铌酸锂)表现出的电光效应。通过这种效应，晶体的折射率根据施加到其上的外部电场的变化而改变。利用快速电信号，可以实现晶体的随时间变化的光学厚度，从而实现时间透镜。不过这种效应也具有局限性，因为过高的电场会破坏晶体。因此该团队分阶段增加折射率，类似于空间菲涅耳透镜。通过这种方式，能够在不破坏透镜的情况下实现了很强的效果，这反过来又能够对量子光脉冲进行更大范围的调控。
这种“分阶段”操作需要使用超快微波电子设备。“相比之下，高速 Wi-Fi 或 5G 网络的运行频段约为 3 至 5 GHz，而我们的信号速度快 7 倍以上，频率高达 35 GHz，”Sosnicki 博士补充道。
在进一步的研究中，华盛顿大学物理系的研究人员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 博士表示，到目前为止，他们一直在同一个实验室的设备之间传输单光子。下一步，他们将尝试在不同建筑物甚至城市之间进行这种传输。
该团队所做的工作是在创建量子网络的道路上迈出的重要一步——无论是在单个量子计算机上使用的小型量子网络，还是在世界不同地区的量子计算机之间传输量子信息的大型量子网络，从而产生量子互联网。
原标题：一种新型高效的量子信息载波转换器
