量子網絡高效數據機示意圖。
現代計算機需要數據機（modem）接入網際網路，將來的量子計算機也需要量子數據機，把世界各地的量子計算機接入網際網路。馬普所（Max Planck Institute）的一份研究最近獲得首個突破，設計出一種既簡單又高效的連接技術，最明顯的優勢是，這種量子數據機可以集成接入現有的光纖網絡。
量子數據機需要合適的接口才能處理極其敏感的量子信息，也是現在設計面臨的巨大挑戰。他們必須保證「本地量子比特」和「傳輸中的量子比特」可以有效地互動，在長距離傳輸過程中不會破壞量子信息。
「本地量子比特」指的是位於本地量子計算機的量子信息，比如位於記憶體中或是量子計算機的處理器內的信息。「傳輸中的量子比特」現在一般使用光子實現，作為傳輸信息的載體，通過光纖網絡或在真空中傳輸。量子數據機就是為「本地量子比特」和「傳輸中的量子比特」建立連接的設備。
量子比特之間精細的連接
研究稱，為了建立這種連接，數據機發送或接收的量子信息載體——光子，必須與用於通訊的紅外雷射波長精確地匹配。這意味著「數據機內必須有靜止的量子比特，能夠以量子躍遷的方式精確地與這些紅外光子互動。」
這份研究展示，鉺元素很適合承擔這項任務。它的電子可以精確的實現所需的量子躍遷。可是困難在於，鉺原子很難發生量子躍遷。因此研究人員想到，把鉺原子和紅外光子鎖在一個合適的空間內，維持儘可能長的時間，迫使它們有足夠的機會互動從而發生反應。
研究員雷塞爾（Andreas Reiserer）說：「就像一個聚會，為了使客人互相之間最充分地互動，比如有十個客人的情況下，聚會所用的空間大小很重要。如果是一個足球場，那太大了，人都找不到了；如果是一個電話亭，又太小啦。一個會客室才正好。」
然而，這個聚會將很快結束，因為這些光子以光速行動，很不穩定，總是要離開。
於是研究人員把「會客室」設計成一個微型的、帶鏡子的「柜子」，再把鉺原子裝在透明的、很薄的矽酸釔複合物晶體內——只有一根頭髮五分之一的寬度。這個晶體就像三明治的夾心一樣，被夾在兩面鏡子的中間。為了避免熱量對原子造成的擺動而破壞量子信息，研究人員還得把整個元件冷卻到零下271攝氏度。
鏡櫃內的光子猶如桌球
被鎖在這個鏡櫃裡面的光子被鏡子反射後就像桌球一樣來回跳動，這大大增加了它們與鉺原子互動的概率。研究人員稱，這比沒有使用鏡子的情況效率提升了幾乎六倍。
由於鏡子也有一定的透光性，因此這樣的數據機可以接入現有的光纖網絡。這也是研究人員認為這種技術最大的優勢所在。
雷塞爾說，他們對這項進展很滿意。接下來，他們考慮改進實驗，想辦法讓每個鉺原子在與雷射的互動中都可以作為量子比特的角色。這將使得裝有鉺原子的晶體變成一個量子處理器，這樣的數據機將與量子計算機更加兼容。
研究人員表示，如此簡單的方案為構建「量子中繼器」奠定了基礎。量子中繼器也是現在研究聚焦的領域之一。每間隔數百公里設置一個量子中繼器，可有效補償傳輸中的信息損耗。
這份研究11月初發表在《物理評論X》（Physical Review X）期刊上。◇
