超导处理器中的量子信息存储为低能量微波光子，但如果要在长距离上传输这些信息以构建量子信息处理网络，则需要将低能量光子转换为更高能量的可以在光纤中传输的光子。美国芝加哥大学与斯坦福大学组成的联合研究团队在低温（5K）环境下，将85Rb冷原子系综同时与三维超导谐振器和振动抑制光腔耦合，展示了利用激光冷却的铷原子实现低能量和高能量光子之间的转换。该转换器若与超导量子比特相结合，将构成一个完整的量子网络平台。该成果于3月22日发表在《自然》杂志上。
量子比特（Qubits）是量子信息的基本单位。它们被编码在物理系统中，如光子、原子和离子的量子态。在超导量子计算平台中，量子比特经常被编码在具有低能量、厘米级波长的微波光子上。尽管这些量子比特可被局域地操纵，但在室温下难以进行远距离信息传输。这是由于，室温环境的热辐射中存在着丰富的低能量光子，导致携带量子信息的光子无法与热背景噪声光子区分出来。而波长在可见光和近红外范围内的光子则没有这样的问题，因为它们具有更高的能量，可在光纤中携带信息进行长距离传输，且信息损耗最低。在低能量和高能量的光子之间转换量子信息便是建立量子计算网络的关键。
利用缀饰里德堡原子和超导谐振器之间的强耦合，研究团队展示了毫米波光子和光波光子之间的相干转换。具体而言，他们设计了一个兼容三维毫米波谐振腔和低温恒温器的法布里珀罗光腔，并通过精密的机械结构，在实验的低温真空环境中将光腔腔长的涨落控制在25pm以内。在此基础上，研究人员将激光冷却的铷原子放置在囚禁光子的谐振腔内，使光子和铷原子之间的相互作用被增强，也因此比在自由空间中具有更高的频率转换效率。为了评估毫米波-光波转换器的性能，他们将毫米波光子送入超导谐振腔，并测量光腔中转换的光子数量。结果表明，毫米波到光波光子的内禀转换效率达到了58%，与理论预测一致。转换器还可以反过来使用，即将光波光子向毫米波光子反向转换，其结果也与理论预测一致。另一方面，在没有毫米波光子输入情况下，通过监测转换后的光子，证实了在5K温度下平均背景热噪声毫米波光子数为0.6个，如此低的光子数有望保持输入光场中的纠缠信息。该转换器若与超导量子比特相结合，它们将构成一个完整的量子网络平台。
这项工作将超导电路与光学光子连接了起来，为由不同系统组成的混合量子系统在量子信息处理、存储和通信方面的应用奠定了基础。除了波长转换，实验中的转换器还可以作为单个毫米波光子的传感器，在暗物质探测、天体毫米级光子探测等宇宙学领域中都有望得以应用。另一方面，由于目前在量子信息中毫米波光子的应用几乎尚未开展，例如，大多数超导平台在5GHz的微波频率下工作，而该实验则是在接近100GHz下工作，该平台有可能与在毫米波频率下工作的新兴量子电路技术相结合。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05740-2
报道链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00323-7
图1 光波光子与毫米波光子之间的转换示意图。（a）系统能级以及冷原子在腔中与毫米波光子相互作用示意图；（b）超导谐振腔和光腔的横截面示意图。