科學家們發現了一種在各種量子技術之間轉換量子信息的方法，這對量子計算、通信和網絡有著重大意義。這項研究發表在《自然》雜誌上，得到了陸軍研究辦公室（ARO）、空軍科學研究辦公室（AFOSR）和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校領導的國家科學基金會混合量子架構和網絡量子飛躍挑戰研究所（HQAN）的資助。

這代表了一種將量子信息從量子計算機使用的格式轉化為量子通信所需格式的創新方法。

一個鈮超導空腔。孔洞通向隧道，隧道相交以捕獲光和原子。

光子–光的粒子–對量子信息技術至關重要，但不同的技術以不同的頻率使用它們。例如，一些最常見的量子計算技術是基於超導量子比特，如科技巨頭Google和IBM使用的那些；這些量子比特將量子信息存儲在以微波頻率移動的光子中。

但是，如果你想建立一個量子網絡，或連接量子計算機，你就不能四處發送微波光子，因為它們對量子信息的控制力太弱，無法在旅途中生存。

“我們用於經典通信的很多技術–手機、Wi-Fi、GPS以及諸如此類的東西–都使用微波頻率的光，”芝加哥大學詹姆斯-弗蘭克研究所的博士後、該論文的第一作者Aishwarya Kumar說。”但你不能這樣做量子通信，因為你需要的量子信息是在一個單一的光子中。而在微波頻率下，這種信息會被埋沒在熱噪聲中。”

銣的電子能級示意圖。其中兩個能級間隙分別與光學光子和微波光子的頻率相符。激光被用來迫使電子跳到更高的層次或降到更低的層次。

解決方案是將量子信息轉移到更高頻率的光子上，稱為光學光子，它對環境噪聲的抵抗力要強得多。但信息不能直接從光子轉移到光子；相反，我們需要中間物質。一些實驗為此目的設計了固態設備，但庫馬爾的實驗瞄準了更基本的東西：原子。

原子中的電子只允許擁有某些特定的能量，稱為能級。如果一個電子處於一個較低的能級，它可以被激發到一個較高的能級，方法是用一個能量正好與較高和較低能級之間的差異相匹配的光子擊中它。同樣地，當一個電子被迫降到一個較低的能級時，原子就會發射出一個能量與能級之間的能量差相匹配的光子。

銣原子恰好有兩個空隙，庫馬爾的技術利用了這兩個空隙：一個正好等於微波光子的能量，另一個正好等於光子的能量。通過使用激光使原子的電子能量上下移動，該技術允許原子吸收帶有量子信息的微波光子，然後發射帶有該量子信息的光學光子。這種不同模式的量子信息之間的轉換被稱為”轉導”。

有效地將原子用於這一目的是由於科學家們在操縱這種小物體方面取得的重大進展而成為可能。庫馬爾說：”在過去的20或30年裡，我們作為一個群體已經建立了卓越的技術，使我們能夠控制關於原子的一切，所以實驗是非常可控和有效的。”

他說，他們成功的另一個秘密是該領域在腔體量子電動力學方面的進展，在那裡，一個光子被困於一個超導反射室。迫使光子在一個封閉的空間裡反彈，超導腔加強了光子和放在裡面的任何物質之間的相互作用。

他們的腔體看起來不是很封閉，事實上，它更像一塊瑞士奶酪。但看起來像洞的地方實際上是以非常特殊的幾何形狀相交的隧道，因此光子或原子可以被困在一個交叉點上。這是一個聰明的設計，也允許研究人員進入腔室，以便他們能夠注入原子和光子。

該技術可以雙向工作：它可以將量子信息從微波光子轉移到光學光子，反之亦然。因此，它可以在兩個超導量子計算機之間的長距離連接的任何一側，並作為量子互聯網的基本構件。

但庫馬爾認為，這項技術的應用可能比量子網絡多得多。它的核心能力是強糾纏原子和光子–這是整個領域中許多不同的量子技術中必不可少的，也是困難的任務。

他說：”我們真正感到興奮的事情之一是這個平台能夠產生真正有效的糾纏，糾纏是我們關心的幾乎所有量子的核心，從計算到模擬到計量學和原子鐘。我很高興看到我們還能做什麼。”