马克斯·普朗克学会凯瑟琳娜·贾拉著 Garching量子调制解调器:中间是带有铒原子量子位的晶体圆盘(箭头)，来回反射的红外光由红色圆盘表示
信用:克里斯托弗·霍曼(MCQST) 第一次量子革命带来了半导体电子学、激光以及最终的互联网
即将到来的第二次量子革命承诺防间谍通信、极其精确的量子传感器和量子计算机，用于以前无法解决的计算任务
但这场革命仍处于起步阶段
一个主要的研究对象是本地量子设备和光量子之间的接口，光量子能够远程传输高度敏感的量子信息
位于加州大学马普量子光学研究所的奥托-哈恩小组“量子网络”正在研究这样一种“量子调制解调器”
该团队现在已经在一项相对简单但高效的技术上取得了第一次突破，这项技术可以集成到现有的光纤网络中
这项工作发表在本周的《物理评论十》上
电晕大流行每天都在提醒人们互联网已经变得多么重要
万维网，曾经是基础物理研究的副产品，已经彻底改变了我们的文化
量子互联网会成为物理学的下一个重大创新吗？ 现在回答这个问题还为时过早，但是基础研究已经在量子互联网上展开
许多应用程序将比视频会议更专业，也不那么感性，但绝对防间谍的远程通信的重要性是每个人都可以理解的
“在未来，量子互联网可以用来连接位于不同地方的量子计算机，”安德烈亚斯·雷赛勒说，“这将大大提高它们的计算能力！”这位物理学家是位于伽青的马克斯-普朗克量子光学研究所独立的奥托-哈恩研究小组“量子网络”的负责人
因此，量子互联网本质上是新技术的全球网络，比以往任何时候都更好地利用量子物理
然而，这需要为极其敏感的量子信息提供合适的接口
这是一个巨大的技术挑战，这就是为什么这样的接口是基础研究的中心焦点
他们必须确保静止的量子比特——简称为量子比特——在不破坏量子信息的情况下，与“飞行”的量子比特进行有效的远距离通信
固定的量子位将位于本地设备中，例如作为量子计算机的存储器或处理器
飞行量子位通常是光量子，光子，通过空气、真空或光纤网络传输量子信息
量子比特之间的微妙联系 “量子调制解调器”被设计成在飞行和静止的量子位之间有效地建立联系
为此，围绕博士生本杰明·默克尔(Benjamin Merkel)的团队开发了一项新技术，并刚刚展示了其基本功能
它的关键优势是可以集成到现有的电信光纤网络中
这将是推进量子技术远程网络运行的最快方式
为了使这个系统工作，由调制解调器作为量子信息载体发送或接收的光子必须精确地匹配用于电信的激光的红外波长
这意味着调制解调器必须有静止的量子位，能够以量子跳跃对这些红外光子做出精确反应
只有这样，敏感的量子信息才能在静止的量子位和飞行的量子位之间直接传输
基于Garching的研究小组的广泛研究表明铒元素最适合这一目的
它的电子可以完成完美匹配的量子跳跃
不幸的是，铒原子非常不愿意进行这种量子跳跃
因此，他们必须专注于一个迫使他们更快反应的环境
为了解决这个问题，铒原子和红外光子被尽可能长时间地锁定在一个合适的空间
“你可以把它想象成一个聚会，它应该能激发十个客人之间最好的交流，”赖赛勒解释道
这里空间的大小至关重要
“在足球场里，客人会迷路，而一个电话亭又太小了，”这位物理学家继续说道，“但是一个起居室就可以了。”
" 然而，聚会很快就会结束，因为光子以光速传播，因此非常不稳定，总是想离开
这就是为什么伽青量子调制解调器使用一个微小的镜柜作为“客厅”，研究小组将原子装入一个由硅酸钇化合物制成的透明晶体中，该晶体比人类头发细五倍
反过来，这块水晶就像三明治一样被放在两块近乎完美的镜子之间
为了消除对量子信息有破坏性的原子热摆动，整个系综被冷却到零下271摄氏度
镜柜中的光子乒乓 困在镜子之间的光子像乒乓球一样通过晶体来回反射
它们经常通过铒原子，这样原子就有足够的时间进行量子跃迁
与没有镜柜的情况相比，这种情况发生的效率更高，几乎快了60倍
尽管这些镜子很完美，但它们对光子也有轻微的渗透性，因此调制解调器可以连接到网络
“我们对这一成功感到非常高兴，”赖泽说
作为下一步，他想改进实验，使单个铒原子可以通过激光作为量子位来寻址
这不仅是迈向可用量子调制解调器的重要一步
铒原子作为晶体中的量子位，甚至可以直接充当量子处理器，这是量子计算机的核心部分
这将使调制解调器很容易与这种量子终端兼容
有了这样一个优雅的解决方案，相对简单构造的“量子中继器”也将成为可能
每隔一百公里，这些设备就必须补偿光纤网络中光子传输的量子信息不断增加的损失
这种“量子中继器”也是国际研究的焦点
“虽然基于我们技术的这种设备将花费大约10万欧元，但广泛使用并不是不现实的，”赖赛勒说
伽青量子调制解调器仍然是纯粹的基础研究
但它有潜力推进量子互联网的技术实现
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