艺术家对微波光声换能器的印象。电极(左上，金色)发射传播的声波，这些声波可以在光子晶体纳米束中(右下)进行光学测量。这种设备用于在量子噪声极限下演示微波GHz与光电信信号之间的相干转换过程。图片来源：Moritz Forsch / 代尔夫特理工大学卡夫里纳米科学研究所
由代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)领导的研究人员已经完成了微波和光域的信号之间量子态转换的两个步骤。这对于将未来的超导量子计算机连接到全球量子网络具有重要意义。本周他们在《自然物理学》和《物理评论快报》中发表了他们的发现。
量子网络
微波和光域的信号之间的转换引起了极大的兴趣，特别是为了将未来的超导量子计算机连接到全球量子网络中。量子技术中的许多领先技术，包括超导量子比特和量子点，都通过微波领域下的光子共享量子信息。虽然这可以实现令人印象深刻的量子控制程度，但同时也限制了信息在丢失之前仅能实际传播的距离，只有几厘米。
同时，光量子通信领域已经在能够提供实际应用的距离尺度上进行了演示。通过在光电信波段中传输信息，可以设想数十公里甚至数百公里的基于光纤的量子网络。代尔夫特理工大学的Simon Groeblacher教授说：“为了将多个量子计算节点长距离连接到量子互联网中，因此至关重要的是能够将量子信息从微波转换到光域，然后再转换回来。”“这不仅对于量子应用非常有意义，而且对于经典的光信号和电信号之间的高效、低噪声转换也将非常有用。”Simon Groeblacher教授的小组负责了这两项研究。
基态
已经采取了几种有希望的方法来实现微波到光学的转换器，例如尝试通过机械系统(振荡器)耦合信号。但是到目前为止，它们都在相当大的热噪声背景下运行。该论文的两位主要作者之一Moritz Forsch解释说：“我们已经克服了这一限制，并证明了GHz微波信号与具有最小热背景噪声的光电信波段之间的相干转换。”
为此，必须将机械振荡器冷却到运动的量子基态。低热占用构成了对机械状态进行量子控制的基础。另一位主要作者Rob Stockill继续说道：“我们使用了集成的片上电光机械设备，该设备将由共振微波信号驱动的表面声波耦合到光机晶体上。我们在量子基态初始化了机械模式，这使我们能够以最小的附加热噪声执行转换过程，同时保持映射到机械谐振器中的微波光子有效地向上转换到光域。”
压电材料
Groeblacher的团队最近通过专注于新型压电材料的使用，在该领域又向前迈出了一步。这些因机械应力而产生电场的材料，对于不同载体间的量子信息转换可能具有重要意义。机电耦合原则上允许在该材料的微波和光域之间转换量子态。因此，一种有前途的方法是构建集成的压电光电机械装置，然后将其耦合到微波电路。
“我们已经设计和表征了一种由磷化镓制成的压电光学机械设备，其中2.9 GHz机械模式耦合到电信频段中的高质量因子光学谐振器。”Groeblacher教授说，这种新材料的大电子带隙以及由此产生的低光吸收，与由硅制成的器件相当，使我们能够演示这种结构的量子行为。
下一步
由磷化镓(GaP)制成的装置，远远超过了目前在砷化镓(GaAs)或在其他类似方法中使用的压电材料的成就。下一步，研究人员是在此参数范围内成功运行GaP装置，并进一步研究这种令人兴奋的材料的使用。鉴于GaP具有宽的电子带隙和压电特性，这些研究结果为新颖的量子实验打开了大门，同时也为将此类设备用于单光子的微波到光学转换提供了可能。
备注：
《自然物理学》的论文是代尔夫特理工大学、维也纳大学、荷兰埃因霍芬理工大学和NIST合作出版。
《物理评论快报》的论文是代尔夫特理工大学、巴黎南部大学、巴黎萨克莱大学和巴黎大学合作出版。
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