初创公司首次实现了两种不同量子信息的转换

光子盒研究院出品

巴黎Kastler Brossel实验室成功构建了两种不同类型的量子比特编码之间的第一个转换器——相当于经典信息的转换器，但针对不同类型的量子数据。具体来说，展示了两种主要范式之间的量子信息转换，即离散和连续变量量子比特。在2023年2月的《自然光子学》在线期刊上[1]，他们报告了量子比特编码转换的首次成功演示。这项研究的第一作者Tom Darras是量子初创公司Welinq的首席执行官和联合创始人。

类似于经典的模拟或数字信息编码，它们是某些任务和平台的首选。该研究团队找到了一种方法，可以将一种非常独特的量子信息转换成另一种，从而证实了不同量子设备相互连接的可能性。

在量子计算的竞赛中，许多平台正在开发中，它们依赖于不同的量子系统，例如光子、中性原子、离子、超导体和半导体。对于所有这些系统，存在几种类型的编码，它的选择取决于特定的应用和可用的资源。解决量子网络中的这种异质性是一个紧迫的问题。它将允许整合各自的最佳功能，以实现更强大、更高效的网络。

在量子网络开发的早期解决异构性可以防止兼容性问题，并可能使未来不同量子系统的无缝集成和互连。这项任务需要使用量子编码转换器，这是一种在改变写入基的同时保留脆弱的编码量子信息信号的设备。

量子比特转换是一项复杂的挑战。创建量子比特转换器的直接方法是测量存储在一种编码中的信息，并将该信息重新创建为另一种编码。然而，量子力学和所谓的不可克隆定理不允许对任意信息进行这种操作。

在某种程度上，这种不便是塞翁失马焉知非福，因为量子密码技术的力量就来自于此。尽管如此，这迫使研究团队采用另一种方法来制造转换器：使用量子纠缠。纠缠描述了量子系统之间的非经典关联。这被爱因斯坦描述为“幽灵般的超距作用”。

第一作者Tom Darras说[2]：“事实上，第二次量子革命是由在量子尺度上驾驭和控制纠缠的能力推动的。创建、操纵和分发纠缠的能力为许多新的应用和技术打开了大门，这些应用和技术仅靠经典系统是无法实现的。”Darras现在是量子初创公司Welinq的首席执行官和联合创始人。

量子比特转换器的实现可以分为三个主要步骤。首先，必须创建关键资源纠缠。其次，输入量子比特被发送到转换器。最后，必须执行被称为“贝尔态测量”的特殊测量，从而将输入信息隐形传态到输出量子比特。在这个过程中，与其他隐形传态协议不同的是，量子比特被改写成了另一个基。

为了创造所有的资源状态，巴黎的研究人员使用了高效的非线性光源，称为光学参量振荡器(OPO)。根据所选的晶体，在预示事件发生时输出高纯度的单光子或光学猫态。他们还依赖高效超导单光子探测器。

这个过程需要一种非常特殊的资源光学纠缠，即离散变量量子比特和连续变量薛定谔猫量子比特之间的“混合纠缠态”。为了实现贝尔态测量，混合纠缠的单光子部分被用来干扰输入量子比特，然后进行增强的单光子探测。为了进行验证，输出量子比特使用“量子断层扫描”进行表征，以计算输入和输出量子比特之间的保真度，这是评估过程质量的典型方法。对于任何输入量子比特，都确认了高于经典限制的转换。

博士生、论文主要作者之一Beate Asenbeck表示：“这一过程的成功是量子技术基础设施的一个重要里程碑。一旦我们能够互连量子设备，就可以构建更复杂、更高效的网络。使用十年前的技术，这项任务几乎是不可能的。这是一个非常令人兴奋的时刻。”

参考链接：

[2]https://phys.org/news/2023-02-quantum-conversion-path-scale-technology.html