光子使量子位“飞行”，以实现量子计算机中稳定的信息交换
(a) 物理系统图示和 (b) 受激拉曼发射器的能级图。图片来源：物理评论研究 (2024)。 DOI：
10.1103/PhysRevResearch.6.013150
康斯坦茨大学的两名物理学家正在开发一种方法，可以实现量子计算机中稳定的信息交换。主角是：让量子比特“飞翔”的光子。
量子计算机被认为是信息技术的下一个重大发展步骤。它们有望解决当今计算机根本无法解决或需要很长时间才能解决的计算问题。世界各地的研究小组正在努力使量子计算机成为现实。这绝非易事，因为这种计算机的基本组件，即量子位或量子位，非常脆弱。
一种类型的量子位由单个电子的固有角动量（自旋）组成，即它们处于原子尺度。要保持这样一个脆弱的系统完好无损是非常困难的。将两个或多个量子位互连起来更加困难。那么如何实现量子比特之间稳定的信息交换呢？
飞行量子比特
康斯坦茨的两位物理学家 Benedikt Tissot 和 Guido Burkard 现在开发了一个理论模型，说明如何通过使用光子作为量子信息的传输手段来成功实现量子位之间的信息交换。总体思路是，材料量子位的信息内容（电子自旋态）被转换为“飞行量子位”，即光子。光子是构成电磁辐射场的基本构件的光量子。
新模型的特点是受激拉曼发射，用于将量子位转换为光子。这个过程可以更好地控制光子。 “我们提出了一种范式转变，从优化光子生成过程中的控制到直接优化飞行量子位中光脉冲的时间形状，”Burkard 解释道。
蒂索将基本过程与互联网进行了比较：“在经典计算机中，我们有比特，它们以电子的形式编码在芯片上。如果我们想长距离发送信息，比特的信息内容就会被转换转换成通过光纤传输的光信号。”
量子计算机中量子位之间的信息交换原理非常相似：“在这里，我们也必须将信息转换成可以轻松传输的状态，而光子是实现这一点的理想选择，”蒂索解释道。
该研究发表在《物理评论研究》杂志上。
控制光子的三能级系统
“我们需要考虑几个方面，”蒂索说。 “我们希望控制信息流动的方向，以及信息流动的时间、速度和地点。这就是为什么我们需要一个能够进行高水平控制的系统。”
研究人员的方法通过谐振器增强的受激拉曼发射使这种控制成为可能。这个术语的背后是一个三级系统，它导致了一个多阶段的程序。这些阶段使物理学家能够控制所产生的光子。 “我们这里有‘更多按钮’，我们可以操作它们来控制光子，”蒂索说。
受激拉曼发射是物理学中的一种既定方法。然而，使用它们直接发送量子位状态并不常见。新方法可能能够平衡环境扰动的后果和光脉冲时间形状快速变化带来的不良副作用，从而可以更准确地实现信息传输。
更多信息：Benedikt Tissot 等人，高效高保真飞行量子位整形，物理评论研究 (2024)。 DOI：10.1103/PhysRevResearch.6.013150