量子网络高效调制解调器示意图。
现代计算机需要调制解调器（modem）接入互联网，将来的量子计算机也需要量子调制解调器，把世界各地的量子计算机接入互联网。马普所（Max Planck Institute）的一份研究最近获得首个突破，设计出一种既简单又高效的连接技术，最明显的优势是，这种量子调制解调器可以集成接入现有的光纤网络。
量子调制解调器需要合适的接口才能处理极其敏感的量子信息，也是现在设计面临的巨大挑战。他们必须保证“本地量子比特”和“传输中的量子比特”可以有效地互动，在长距离传输过程中不会破坏量子信息。
“本地量子比特”指的是位于本地量子计算机的量子信息，比如位于内存中或是量子计算机的处理器内的信息。“传输中的量子比特”现在一般使用光子实现，作为传输信息的载体，通过光纤网络或在真空中传输。量子调制解调器就是为“本地量子比特”和“传输中的量子比特”建立连接的设备。
量子比特之间精细的连接
研究称，为了建立这种连接，调制解调器发送或接收的量子信息载体——光子，必须与用于通讯的红外激光波长精确地匹配。这意味着“调制解调器内必须有静止的量子比特，能够以量子跃迁的方式精确地与这些红外光子互动。”
这份研究展示，铒元素很适合承担这项任务。它的电子可以精确的实现所需的量子跃迁。可是困难在于，铒原子很难发生量子跃迁。因此研究人员想到，把铒原子和红外光子锁在一个合适的空间内，维持尽可能长的时间，迫使它们有足够的机会互动从而发生反应。
研究员雷塞尔（Andreas Reiserer）说：“就像一个聚会，为了使客人互相之间最充分地互动，比如有十个客人的情况下，聚会所用的空间大小很重要。如果是一个足球场，那太大了，人都找不到了；如果是一个电话亭，又太小啦。一个会客室才正好。”
然而，这个聚会将很快结束，因为这些光子以光速行动，很不稳定，总是要离开。
于是研究人员把“会客室”设计成一个微型的、带镜子的“柜子”，再把铒原子装在透明的、很薄的硅酸钇复合物晶体内——只有一根头发五分之一的宽度。这个晶体就像三明治的夹心一样，被夹在两面镜子的中间。为了避免热量对原子造成的摆动而破坏量子信息，研究人员还得把整个元件冷却到零下271摄氏度。
镜柜内的光子犹如乒乓球
被锁在这个镜柜里面的光子被镜子反射后就像乒乓球一样来回跳动，这大大增加了它们与铒原子互动的概率。研究人员称，这比没有使用镜子的情况效率提升了几乎六倍。
由于镜子也有一定的透光性，因此这样的调制解调器可以接入现有的光纤网络。这也是研究人员认为这种技术最大的优势所在。
雷塞尔说，他们对这项进展很满意。接下来，他们考虑改进实验，想办法让每个铒原子在与激光的互动中都可以作为量子比特的角色。这将使得装有铒原子的晶体变成一个量子处理器，这样的调制解调器将与量子计算机更加兼容。
研究人员表示，如此简单的方案为构建“量子中继器”奠定了基础。量子中继器也是现在研究聚焦的领域之一。每间隔数百公里设置一个量子中继器，可有效补偿传输中的信息损耗。
这份研究11月初发表在《物理评论X》（Physical Review X）期刊上。◇
