光是信息的关键载体。它通过光纤电信网络实现世界各地的高速数据传输。这种信息携带能力可以通过将量子信息编码为单个光粒子(光子)来扩展到传输量子信息。

“为了有效地将单个光子加载到量子信息处理设备中，它们必须具有特定的属性：正确的中心波长或频率，合适的持续时间和正确的光谱，”华沙大学物理学院量子光子学实验室负责人Michał Karpinski博士解释说，他是发表在Nature Photonics上的论文的作者。

全球研究人员正在使用各种技术构建量子计算机的原型，包括捕获离子、量子点、超导电路和超冷原子云。这些量子信息处理平台在各种时间尺度上运行，从皮秒到纳秒，甚至微秒。

时间镜头

为了将这些设备连接在一起以创建量子网络，需要一个接口来改变光的透射量子脉冲(单光子)的特性。早在2016年，华沙大学的研究人员和国际合作者的研究人员就在Nature Photonics上展示了这种转换器的原型。

“那里展示的设备允许单光子脉冲的持续时间改变六倍，效率超过30%，”Michal Karpinski博士澄清道。他补充说，他的团队当时使用的技术 - 简单的电光调制 - 具有技术限制，允许脉冲持续时间的最大十倍变化。

“在我们的新出版物中，我们提出了一种转换器，该转换器允许脉冲持续时间变化200倍，效率为25%。这意味着由此产生的量子互联网链路的运行速度可以提高50倍，“Karpinski博士说。

威斯康星大学物理学院的研究人员开发的新技术的关键要素是所谓的时间镜头。

“经典的空间透镜，我们通常熟悉的那种，改变光束的大小，要么聚焦它，要么发散它。例如，可以使用凸透镜聚焦光线，其中透镜玻璃的厚度随着距其中心距离的增加而减小。通过类似的原理，时间透镜可以缩短或延长光脉冲，但在这里，玻璃的有效光学厚度在时间上变化，而不是在空间上，“负责开发实验的量子光子学实验室的Filip Sosnicki博士解释说。

“要使用空间透镜聚焦一束宽光束，它必须足够大。但这会使透镜高度凸起，从而显着增加制造透镜所需的玻璃的数量，从而增加重量。为了避免这种情况，我们可以使用菲涅耳透镜，其特定形状将这种透镜的厚度减少到几毫米或更小，“Sosnicki博士解释说。

由于其厚度要小得多，菲涅尔透镜可用于各种应用，包括汽车前灯、灯塔、铁路信号，甚至智能手机相机。“在我们的研究中，我们开发了这种透镜的时间等价物，我们称之为菲涅耳时间透镜，”Sosnicki博士继续指出。

效果强而不损坏镜头

为了制造时间透镜，研究人员利用了一些晶体所表现出的电光效应。它允许改变晶体(在这种情况下为铌酸锂)的折射率，具体取决于施加在其上的外部电场的变化。使用快速电信号，可以实现晶体的时变光学厚度，然后实现时间透镜。

“这种效应有其局限性，因为过高的电场会破坏晶体。在我们开发的技术中，我们分阶段增加折射率，类似于空间菲涅耳透镜。通过这种方式，我们可以在不破坏透镜的情况下获得强烈的效果，这反过来又允许对量子光脉冲进行更广泛的修改，“Karpinski博士解释说。

这种“分阶段”操作需要使用超快微波电子设备。“相比之下，高速Wi-Fi或5G网络在大约3到5 GHz的频段上运行，而我们的信号速度快7倍以上，频率高达35 GHz，”Sosnicki博士补充道。

在进一步的研究中，来自威斯康星大学物理学院的科学家将测试不同类型的量子信息处理平台之间的接口，并增加光子传输距离。“到目前为止，我们一直在一个实验室的设备之间转移单光子。接下来，我们将尝试在不同的建筑物甚至城市之间进行这种转移，“Michal Karpinski博士补充道。

Michal Karpinski博士的团队开展的工作是创建量子网络的重要一步 - 既有小型的，可以在单个量子计算机中使用，也有巨大的，使量子信息传输在世界不同地区的量子计算机之间，从而产生量子互联网。